Onderzoekers ontwikkelen compacte atoomklok

Een groep onderzoekers van de universiteit van Nevada heeft een methode ontwikkeld om atoomklokken minder log te maken. Door lasers in plaats van vacuümkamers te gebruiken zijn de klokken kleiner en mogelijk nog nauwkeuriger.

De huidige atoomklokken, zoals het exemplaar in het National Institute of Standards and Technology in het Amerikaanse Boulder, zijn grote, logge apparaten. In een conventionele atoomklok worden cesiumatomen in een grote vacuümkamer gebracht, waar een magneetveld de verschillende energieniveaus van de cesiumatomen van elkaar scheidt. Magnetronstraling binnen de vacuümkamer slaat de atomen aan en zorgt ervoor dat de atomen licht uitzenden als ze hun aangeslagen toestand weer verliezen. Een seconde wordt gedefiniëerd als de tijd die voor 9.192.631.770 van die magnetron-cycli en de bijbehorende fluorescentie nodig is.

Twee onderzoekers hebben echter een methode gevonden om de grote vacuümkamer, van ongeveer een kubieke meter, achterwege te kunnen laten. De wetenschappers van de universiteit van Nevada gebruiken geen magnetische velden in een vacuümkamer om de cesiumatomen te 'vangen', maar zetten laserstralen in om de atomen op hun plaats te houden. Hierdoor is het in theorie mogelijk binnen enkele micrometers metingen aan de atomen uit te voeren.

Een probleem daarbij is de invloed van de lasers op de atomen: de energie van de lasers verstoort het energieniveau van de cesiumatomen op een complexe manier, die vooralsnog het uitvoeren van nauwkeurige metingen verhindert. De onderzoekers hopen echter een laserfrequentie te vinden die de energiestaten van een cesiumatoom zodanig 'netjes' verstoort dat deze invloed kan worden geneutraliseerd. Die frequentie hebben de wetenschappers al gevonden voor atomen van aluminium en gallium; elementen die een mogelijk alternatief voor cesium zouden kunnen vormen. De kleinere atoomklokken zouden bijvoorbeeld voor experimenten in de ruimte gebruikt kunnen worden.

Reacties (95)

De kleinere atoomklokken zouden bijvoorbeeld voor experimenten in de ruimte gebruikt kunnen worden.

Expirimenten in de ruimte? Om wat uit te vinden? Verwachten ze dat atomen zich anders gedragen in de ruimte, of...?

De relativiteitstheorie van Einstein stelt ondermeer dat, simpel gezegd, hoe sneller een lichaam beweegt, hoe sneller de tijd in de omliggende ruimte voorbijgaat.
Met andere woorden: stel je vliegt enkele seconden tegen de snelheid van het licht, zodra je terug afremt zijn er voor andere mensen "relatief gezien" enkele maanden/jaren verstreken.
Nu hoeft die snelheid niet gigantisch hoog te liggen om een meetbaar effect te hebben. Neem als voorbeeld een ruimtetuig zoals het ISS of een space shuttle die met 30.000km/u de aarde rondvliegen. Een kleinere atoomklok zou veel geschikter zijn om metingen uit te voeren dan een ouderwetse logge atoomklok. Men zou dus eventueel bij wijze van experiment 2 atoomklokken kunnen synchroniseren, 1'tje op Cape Canaveral en 1'tje aan boord van een shuttle. Laat de shuttle enkele dagen, weken rond de aarde toertjes draaien en dan de 2 tijdstippen controleren. Normaal gezien zou de atoomklok aan boord van de shuttle dan enkele seconden achterlopen op die van Cape Canaveral.
Dit is nu mss een vergezocht experiment maar het zou wel een mooie praktische proef zijn.

Voor de geïnteresseerden die wat meer uitleg willen:
Relativiteits Theorie

ps: ik weet dat dit een heel algemene benadering is. Vul gerust aan waar nodig maar begin nou niet over quantumfysische effecten enzo. Het is nog vroeg: no need for heads to explode

Wat jij beschrijft is de speciale relativiteitstheorie die Einstein pas later heeft beschreven, eerst heeft hij ook nog de algemene relativiteitstheorie geschreven waarin hij beschrijft dat tijd niet een ongrijpbaar iets is maar onderdeel van een 4dimensionale tijdruimte.

Zijn gedachte is dat er geen zwaarte kracht bestaat, maar dat alle materie de ruimte tijd verstoord. Hierbij gaan objecten zoals de maan rechtdoor de gekromde ruimte... Het effect dat objecten versnellen door de zwarte kracht is eigenlijk een gevolg dat dicht bij zware objecten zoals de aarde de tijd langzamer gaat en dat ivm behoud van energie objecten gaan versnellen richting het zware object...

Ik heb er ooit een heel boek over gelezen en dan, na 100 bladzijden is het best goed te begrijpen. Waarschijnlijk beter dan ik zo snel kan beschrijven...

Zoals ik zei het is een hele algemene benadering. Het kan immers ook een practical joke zijn van god weetjewel, "laat ik die klok in de ruimte eens wat sneller laten lopen"

Kan je immers ook nog discussieren over:
- het feit of de lichtsnelheid constant is of niet?
- het al dan niet bestaan van donkere massa/energie
- de nauwkeurigheid van de bestaande fysische wetten?
- de zovele onzekerheidsprincipes...

Zwaartekracht is trouwens wel degelijk een kracht (volgens Einstein) die ontstaat door de vervorming van ruimte en tijd door de aanwezigheid van massa.

Einstein is tevens grondlegger voor de "jouw moeder is zo dik dat..." jokes

Wat jij beschrijft is de speciale relativiteitstheorie die Einstein pas later heeft beschreven, eerst heeft hij ook nog de algemene relativiteitstheorie geschreven waarin hij beschrijft dat tijd niet een ongrijpbaar iets is maar onderdeel van een 4dimensionale tijdruimte.

Onwaar.
Speciale relativiteitstheorie heeft hij voorgesteld in 1905 ( http://nl.wikipedia.org/wiki/Speciale_relativiteitstheorie ) en de algemene relativiteitstheorie kwam later in 1916 ( http://nl.wikipedia.org/wiki/Algemene_relativiteitstheorie ).

Mijn fout, het zijn in ieder geval wel 2 aparte of aanvullende theorieën die allebei door hem zijn uitgewerkt.

Uhm, speciale relativiteitstheorie was eerder dan algemene relativiteitstheorie.

Dit hebben ze ten tijden van de Apollo missies al eens getest met één atoom klok aan boord van de Apollo en een op aarde.

Zie bv.: wiki.answers.com Can the Theory of Time Lapse proposed by Einstein proved and under what conditions?

"Thirdly, during one of the Apollo missions an atomic clock was taken along in the spacecraft which was exactly synchronised with a second clock on earth. Atomic clocks are the most accurate timepieces in the world - accurate to one second in several thousand years. When the ship returned, the clocks were compared, and the clock on the ship was found to have slowed by a tiny fraction of a second. A tiny period of time indeed, but when investigated and put into Einstein's fomulae for time dilation, it was found that the slowing down agreed exactly with Einstein's prediction."

Normaal gezien zou de atoomklok aan boord van de shuttle dan enkele seconden achterlopen op die van Cape Canaveral.

Het effect is véél kleiner dan "enkele seconden" - denk maar aan enkele nanoseconden of hoogstens enkele microseconden.

ligt er maar aan hoe snel de raket gaat en hoe lang je wegblijft. Hoe dichter je bij de snelheid van het licht kan komen, hoe meer tijdsverschil er tussen de 2 klokken zal zijn. Dit zou een bewijs zijn dat tijdreizen tot de mogelijkheden behoort...

In theorie reizen we allemaal al door de tijd, het is alleen vooruit. Het punt is dat dit alleen voor ons niet dermate meetbaar dan wel merkbaar is. Die hele relativiteitstheorie onderbouwt het feit dat tijdreizen theoretisch mogelijk is en ook gebeurd. Het is alleen een heel andere definitie dan wat de volksmond er aan geeft. Die denkt bij tijdreizen aan iets als Back to the future. M.a.w. heen en weer reizen tussen tijd, dus ook terug. Zoals Munters al opmerkt is dat hier niet aan de orde, alleen tijdreizen naar de toekomst is mogelijk, terug niet. Dat experiment met de 2 klokken zal alleen dat eerste wat we al wisten en waar de relativiteitstheorie over gaat "bewijzen". Dat is volgens mij al vaker gedaan. Een bewijs voor echt tijdreizen zoals de volksmond die kent is het dus absoluut niet. Daar komt heel wat meer bij kijken omdat we dan echt gaten in tijd moeten gaan slaan en de klok terugdraaien.

Op deze manier is het enkel mogelijk naar de toekomst te reizen. Er is geen weg terug.

nee, dit wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het onderzoeken van de relativiteitstheorie en onderzoek naar de stelling E = mc^2 (http://www.spaceref.com/news/viewpr.html?pid=18628) met gedrag van atoom in baan om de aarde, in eigen baan en vervolgens vervaltijden etc. Weet niet de precieze toepassing en onderzoek, maar zoeits is het

Volgens mij is niet alleen het formaat van deze nieuwe klok, maar ook de nieuwe methode beter geschikt voor experimenten in de ruimte.

Huidige "atomic fountain clocks" maken gebruikt van een fontein-principe: De atomen bewegen eerst omhoog, en vallen daarna door invloed van de zwaartekracht weer naar beneden. In de ruimte werkt dit natuurlijk niet, door het gebrek aan zwaartekracht.

De nieuwe methode waarmee de atomen "vastgehouden" worden met lasers is dan beter geschikt, lijkt me.

Inderdaad. Zoals ze nu ook al doen in o.a. het ISS. Veel materialen, verbindingen en processen gaan anders zonder aardse/planetaire invloeden als zwaartkracht.

Als trillingen van atomen in de ruimte anders zouden gaan of er sprake is van tijdverstoring is dat van noodzaak om rekening mee te houden bij langere ruimtemissies.

Dat denk ik wel, en metingen van storingen in de tijd wanneer je verder van een planeet begeeft ofzo. Niet te meten met een simpel horloge maar misschien wel met zo een precieze tijd klok.

De reden voor precieze klokken hoeft niet eens zo fundamenteel wetenschappelijk te zijn. Gewoon een GPS systeem werkt ook al door precieze klokken. Misschien kunnen we dan in de toekomst wel tot op de cm navigeren, ipv tot op de meter.

Wat dacht je van de nieuwe generatie GPS-satellieten? Die dingen hebben ook atoomklokken aan boord.

Bedoel je hier niet het initiatief van de EU? Dat is Galileo, een ietwat andere techniek dan GPS en daardoor ook niet meer compatible. Dat systeem is misschien over een jaartje of 10 in werking (mits men nog geld heeft voor de lancering van de rest van de sats wat op dit moment logischerwijze nogal twijfelachtig is).

Ieder GPS satelliet heeft meerdere Cesium en/of Rubidium atoomklokken aan boord.
GPS werkt via het uitzenden van een nauwkeurige tijd vanaf de satelliet, daar zijn de klokken voor. (Tevens wordt de draaggolf frequentie ervan afgeleid).

die dingen kunnen ze denk ik in gps sattelieten gebruiken. Hoe nauwkeuriger een tijdsmeting hoe nauwkeuriger men ook de locatie kan bepalen, wie weet in de toekomst op enkele cm dan.

Ik vraag me af hoe zijn ze er nou achter gekomen dat er precies 9.192.631.770 cycli in een seconde passen?
En hoe zit het met de relativiteitstheorie, volgens Einstein gaat de tijd sneller naarmate een atoomklok zich verder van aarde bevind, op welke "hoogte" gelden deze 9.192.631.770 cycli eigenlijk?

Vragen vragen.

De tijd gaat niet sneller naarmate je je verder van de aarde bevind, ook niet volgens de relativiteitstheorie. Dan zou de aarde namelijk wel heel bijzonder moeten zijn in ons heelal, en er is geen enkele aanwijzing dat dat zo is.
Volgens de relativiteitstheorie gaat de tijd langzamer lopen, naarmate je snelheid hoger is. Dit is echter alleen waar vanuit het gezichtspunt van een stilstaande waarnemer. Ook neemt je massa toe en worden afstanden korter. Als je de maximaal haalbare snelheid bereikt hebt, de snelheid van het licht staat de tijd stil. Als je sneller dan het licht zou gaan, gaat de tijd in theorie achteruit.
Dit is niet alleen theorie, maar dit effect is ook daadwerkelijk aangetoond. Dit is gedaan door de halfwaardetijd te bepalen van stilstaande deeltjes, en van deeltjes onder hoge snelheid. De halfwaardetijd bleek meetbaar (en precies volgens de theorie) toe te nemen.

[Reactie gewijzigd door DitisKees op 17 maart 2009 08:56]

Er is wel zoiets als gravitational time dilation:

http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_time_dilation

Klokken die hoger staan in een zwaartekrachtspotentiaal gaan sneller. Dit geldt niet exclusief voor de aarde, maar voor elke massa. Het is een miniscuul effect, maar wel belangrijk voor bepaalde toepassingen zoals GPS.

Volgens Newton zou de zwaarte kracht direct werken, dus als, in een theoretisch geval, de zon zou verdwijnen wij direct worden gelanceerd uit onze baan de ruimte in. Hierbij zou de zwaarte kracht dus sneller gaan als het licht aangezien zelfs het licht nog ruim 8 minuten er over doet om ons te bereiken.

Einsteins theorie is dat de gehele ruimtertijd verstoord is, en dat indien de zon zou verdwjnen een soort van golf onstaat in de gekromde ruimtetijd, en dat het nog enkele minuten duurt voordat onze baan gaat veranderen. Volgens Einstein kan er NIKS sneller dan het licht gaan, voor alle waarnemers.

Volgens Einstein kan Niks met massa sneller gaan dan licht. Iets zonder massa kan niet langzamer gaan dan licht.

[Reactie gewijzigd door jagana op 17 maart 2009 10:27]

Volgens Einstein krijg je dan Gravity Waves, die zich voortbewegen met ongeveer de lichtsnelheid.

One of several analogies between weak-field gravity and electromagnetism is that, analogous to electromagnetic waves, there are gravitational waves: ripples in the metric of spacetime that propagate at the speed of light.

Bron: http://en.wikipedia.org/w...ivity#Gravitational_waves

Daarom worden de klokken van de GPS-satelietten ook (volgens mij) elke dag bijgesteld.

GPS satellieten worden niet continu gesynchroniseerd, want op aarde houden wij de UTC (univeral coordinated time) aan. GPS klokken hebben echter hun 'eigen' GPS tijd; deze wordt niet gecorrigeerd met de draaiing van de aarde. GPS klokken hebben dan ook geen correctie voor 'leap seconds' (schrikkelseconde). In 1980 zijn de klokken voor het eerst en laatst gesynchroniseerd met UTC en lopen zodoende inmiddels 19sec achter op de internationale atoomtijd. De interne klok van de GPS heeft natuurlijk ook enige afwijking, maar door bij plaatsbepaling uit te gaan van minstens 4 satellieten wordt deze tijdsfout gecorrigeerd. Op deze manier wordt tevens de problematiek rond tijdsdeviatie bij zeer hoge snelheid opgelost (voortkomende uit Einsteins theorien over verbanden tussen ruimte, snelheid en tijd).

is dit niet gewoon een voorbeeld van definitie?

hoe men juist aan dit getal komt weet ik niet maar eens een maatstaf gesteld...

hier trouwens nog een beetje meer uitleg over die telling:
http://www.heret.de/radioclock/ptb.htm

Grappig dat je het woord "maatstaf" gebruikt

Definitie.

Net als dat een meter 1/299492768e van de afstand die licht in een seconde aflegt is.

Grappig dat je die definitie noemt, daarvoor moet de definitie van seconde wel duidelijk zijn, en daar gaat deze discussie nu juist over.

offtopic:
De meest bijzondere definitie is die van de kilogram, 1 kg is per definitie gelijk aan de massa van een stuk platinum wat ergens in parijs staat opgeborgen. Het is volgens mij de enige definitie die niet gerelateerd is aan een natuurconstante.

Daar zijn ze niet achter gekomen - dat is hoe een seconde is gedefinieerd:

De seconde is de internationale standaardeenheid van tijd. Zij is gedefinieerd als de duur van 9 192 631 770 perioden van de straling die correspondeert met de overgang tussen de twee hyperfijnenergieniveaus van de grondtoestand van een ¹³³cesiumatoom in rust bij een temperatuur van 0 K. Het symbool voor deze eenheid is s. Onjuist is sec.

Maar voor welke hoogte is dit gedefinieerd dan?, want als je deze atoomklok in de ruimte laat zweven gaat deze sneller lopen (zijn al diverse experimenten mee geweest waarbij het gelijk van Einstein is aangetoond). Als je deze klok op een bergtop in de alpen zet loopt hij al wat sneller volgens mij (immers verder van het zwaartekrachtveld verwijderd waardoor hij sneller gaat lopen), dus waar moet je dit ding plaatsen?

[Reactie gewijzigd door Anoniem: 16225 op 17 maart 2009 09:32]

De definitie heeft het over de duur tussen perioden van de overgangen in energieniveaus, de zwaartekracht speelt daarbij geen rol; die periode is contact.

Het probleem waar jij op doelt zit 'em in de implementatie in zo'n klok, aangezien de zwaartekracht bij deze metingen wel een rol speelt. Waarschijnlijk zal dat wel weer af te stellen zijn; een kwestie van de zwaartekracht op dat punt vaststellen en de berekeningen naar op aanpassen.

Het aantal cycli is vastgesteld op basis van een gemiddeld van 21 atoomklokken over de hele wereld. Het was inderdaad eerst één enkele atoomklok, maar toen er meer gebouwd werden kwamen ze erachter dat enkele iets voor of achter liepen. Daarom is er een gemiddelde berekend en worden alle klokken eens in de zoveel tijd weer gesynchroniseerd.

Daarnaast is het aantal trillingen kwantummechanisch berekend. Op basis van de kwantummechanica kun je de overgangssituaties berekenen en de tijd die het kost.

Dus een echte seconde is gewoon niet te bepalen het is gewoon een gemiddelde van nauwkeurige waarnemingen, en ik neem aan dat die atoomklokken allemaal ongeveer op dezelde hoogte staan zodat ze enigsinds gelijk lopen.

is er dan niet veel meer last van de straling in andere onderdelen van de klok? lijkt me dat zo'n grote vacuum kamer van lood oid gemaakt was en als je die achterwege laat denk ik niet dat er nog een makkelijke manier is om de rest te shielden, verder lijkt het me ook minder prettig werken

Uhm, helaas is dit geen radioactieve klok. Het is een atoomklok

Atomen zijn niet alleen enge dingen waar je kanker van krijgt, ook dingen waar alles van is gemaakt enzo. Dat soort atomen zitten in een atoomklok.

Deze gekke stralingen zijn niks bijzonders.
Zat dingen die licht uitzenden als ze worden bestraald.
Een foton (dus een stralingsdeeltje waar licht uit bestaat, maar ook magnetronstraling) geeft zijn energie af aan een elektron, die daardoor wat verder van de kern zelf vandaan komt te draaien.
Deze energie houdt hij niet vast. Na een poos verliest hij de energie (die energie wordt dus weer een nieuw foton, maar dat foton hoeft niet per se gelijk te zijn aan dat wat hij op heeft genomen, licht eraan in hoeveel stappen de elektron terugvalt) en komt de elektron komt weer terug dichter bij de kern.
Volgens mij hebben alle atomen deze eigenschappen, maar ieder zendt weer een ander soort licht uit.

Die straling is gewoon licht, en daar kan zo'n klok prima tegen

lood is veel te zwak om het drukverschil van een vacuum tov de atmosferische druk te weerstaan

Dat is volledig afhankelijk van de binnenmaat van de vacuum ruimte en de wanddikte. Bovendien is een over- of onderdruk van 1 bar helemaal niet hoog.

bijna hoe dik ook lood word gewoon naar binnen getrokken, het heeft totaal geen compressie weerstand. lood is gewoon niet geschikt als structureel materiaal, veel en veel te zacht.

Daarom zou, als er echt lood nodig was, er bijvoorbeeld eerst een laag staal zitten, en daarna een laag lood. Voila, de structurele sterkte van staal, met het stralingsschild van lood. Deze combinatie heet ook wel een composiet.

Interessant Moest het alleen een paar keer overlezen

[Offtopic-leermodus]
Ik lees op wikipedia dat atoomklokken het meest worden gebruikt voor GPS en als tijdseinzender (wekkers, horloge's, stoplichten etc), maar waarom wordt dit niet als standaard gebruikt voor het bepalen van de Tijd? Aangezien de afwijking maar 1 seconde per 30 miljoen jaar bedraagt.
[/Offtopic-leermodus]

Wordt dat dan niet gedaan?

Het is de bepaling van de tijd. De atoomklokken worden gebruikt als moederklokken, voor onder andere het NTP protocol.

Atoom klokken worden al als standaard voor de seconde gebruikt. (Dus zou er eigenlijk nooit een afwijking moeten zijn)

Vandaar een schrikkelseconde eens in de zoveel jaar omdat de seconde niet meer als een deel van de dag is gedefinieerd.

een kubieke meter hoeft natuurlijk niet van alle kanten vierkant te zijn...

0.5*2*1 is ook 1m3,
maar niet 'vierkant' vanaf alle kanten

Kubieke meter is dan ook een inhoudsmaat, geen beschrijving van de vorm van het ding.

Als ik diep in mijn geheugen graaf mag je toch ook zeggen m3 = Liter (als het om iets vloeibaars gaat?)

Als ik diep in mijn geheugen graaf mag je toch ook zeggen m3 = Liter (als het om iets vloeibaars gaat?)

hoe groot zijn de pakken melk in jouw koelkast?

[Reactie gewijzigd door Alkjoa op 17 maart 2009 12:52]

Correctie

1 liter = dm³, anders zou jou melkpak idd een beetje groot uitvallen. 1000 liter = m³

Een laser gebruiken is mooi voor de toekomst, het is dan ook te hopen dat ze bezig blijven met ontwikkelen.

Want de "ouderwetse" atoomklok is nog altijd veel naukeuriger. Als we consesies gaan doen in de naukeurigheid van de atoomklok zijn we verkeerd bezig denk ik. Dan kunnen we ook terug naar de tandwielen

In de conclusie van het bewuste artikel staat:

Estimates of the uncertainties show that the μMagic clocks may successfully compete with the state of the art fountain clocks.

Met de nauwkeurigheid van de atoomklok met behulp van deze nieuwe methode zit het dus wel goed.

Compact?
Als de foto klopt is het de helft van een flinke auto. Wel veel "loze ruimte" echter.
Hoe groot was de originele versie dan?

[Reactie gewijzigd door bbr op 17 maart 2009 09:51]

Op de foto staat de "oude" atoomklok in NIST, niet de nieuwe in Nevada.

[Reactie gewijzigd door slow whoop op 17 maart 2009 09:41]

tja alle technologie word kleiner en verbeterd tegenwoordig dus ja waarom niet hier?
die dingen zijn behoorlijk duur.

en het is wel wat makkelijker de ruimte mee in te nemen als het kleiner is.

Hoe tellen ze die fluoriscentie flitsjes eigenlijk?
Ja, met een detector natuurlijk, maar het draait wel op ruim 9 Ghz.
Ik kan me zo voorstellen dat er af en toe een flitsje gemist wordt.
En ook de elektronica was destijds (bij de eerste atoomklokken) volgens mij niet in staat op zo'n hoge frequentie te draaien.

Als het goed is kun je zo'n ding wel op 9GHz laten lopen als die maar niet te veel stroom trekt (en dus warm wordt) anders moet je wel heel extreem gaan koelen.

Zo vreselijk groot als in het artikel vermeld is zijn die cesium atoomklokken niet hoor.

In iedere GPS satelliet zitten er 3.

Overigens zitten er al zo'n 20 correctiefactoren vanwege de relativiteits theorie in het GPS systeem. Onder andere voor correctie van de snelheid van de satelliet, maar b.v. ook voor de zwaartekrachtput van de aarde waarin het GPS radiosignaal "valt"