दुनिया भर के शोधकर्ताओं ने दुनिया के सबसे बड़े, सबसे अधिक मांग वाले सिर-से-सिर की तुलना पूरी कर ली है घड़ियों इतिहास में दूसरे के आगामी पुनर्वितरण के लिए आत्मविश्वास का निर्माण करने के लिए।

एक सेकंड की अवधि वर्तमान में सीज़ियम (सीएस) द्वारा परिभाषित की गई है परमाणु घड़ियाँ। लेजर ‘गिनती’ इन उपकरणों में सीएस परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित विकिरण एक सेकंड को मापने, कुछ अरबवें स्थान देने या लेने के लिए। चूंकि परमाणु घड़ियों के अनुप्रयोगों का विस्तार हुआ है – जीपीएस नेविगेशन, जलवायु विज्ञान और रेडियो खगोल विज्ञान सहित – उनके प्रदर्शन की अपेक्षाएं भी बढ़ गई हैं, अधिक उन्नत ऑप्टिकल घड़ियों की आवश्यकता है।

दुनिया भर के वैज्ञानिक इन अगली पीढ़ी के उपकरणों का अध्ययन और परीक्षण कर रहे हैं। क्योंकि वे लगभग 18 दशमलव स्थानों तक एक सेकंड की गणना कर सकते हैं, वैज्ञानिकों को उम्मीद है कि ऑप्टिकल घड़ियां सीएस परमाणु घड़ियों को 2030 के आसपास दुनिया के नए समय के मानक के रूप में बदलेंगी। तब तक, हालांकि, ऑप्टिकल घड़ियों को दुनिया के विभिन्न हिस्सों से कदम में काम करने की अपनी क्षमता के लिए कठोर परीक्षणों को पारित करना होगा।

नया प्रयास अब तक का सबसे बड़ा, सबसे परिष्कृत इस तरह के परीक्षण को प्रस्तुत करता है। इसमें तीन महाद्वीपों और 65 शोधकर्ताओं पर 10 ऑप्टिकल परमाणु घड़ियों शामिल थे।

समय की सी इकाई

समय बीतने को मापने के लिए, अपने बगल वाले व्यक्ति के साथ बातचीत करें। यदि यह riveting है, तो समय उड़ जाएगा। लेकिन अगर यह श्रमसाध्य चरणों में आगे बढ़ता है, तो समय एक क्रॉल में धीमा हो जाएगा।

बेहतर या बदतर के लिए, यह वैज्ञानिकों के लिए पर्याप्त नहीं है। यह समझने के लिए कि एक सेकंड को कितना समय लगता है, वे प्राकृतिक घटनाओं का उपयोग करते हैं। 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में, एक दूसरे की परिभाषा एक औसत सौर दिवस की एक -86,400 वीं थी। 1940 के दशक के उत्तरार्ध में दिखाई देने वाली पहली क्वार्ट्ज क्रिस्टल घड़ियां पृथ्वी के रोटेशन की तुलना में अधिक सटीक रूप से समय को माप सकती हैं। इसलिए वैज्ञानिकों ने सूर्य के चारों ओर पृथ्वी की क्रांति को बदल दिया। 1956 में, एक सेकंड एक -31,556,925.9747 के बराबर हो गया, जब पृथ्वी ने 0 जनवरी, 1900 से सूर्य के चारों ओर एक बार जाने के लिए लिया था।

तब से, वैज्ञानिक बेहतर घड़ियों का निर्माण कर रहे हैं, जो प्रत्येक चरण में, उन्हें समय मानक को परिष्कृत करने के लिए भी प्रोत्साहित करते हैं। वर्तमान मानक परमाणु घड़ियों पर आधारित है। ये घड़ियां सीधे समय को मापती नहीं हैं। इसके बजाय, वे जटिल सेटअप हैं जो वैज्ञानिकों ने एक निश्चित आवृत्ति के विकिरण को उत्पन्न करने के लिए एक साथ रखा है। (आवृत्ति समय के व्युत्क्रम के अलावा और कुछ नहीं है।)

1967 में, समय की SI इकाई को इस प्रकार परिभाषित किया गया था: “9,192,631,770 अवधियों की अवधि विकिरण के दो हाइपरफाइन स्तरों के बीच संक्रमण के अनुरूप है, जो कि कैज़ियम -133 परमाणु के जमीन की स्थिति के दो हाइपरफाइन स्तरों के बीच है”। यह क्रिया परिभाषा वास्तव में एक सरल अर्थ का संचार करती है।

पिछले एक पास करें

एक परमाणु की आंतरिक ऊर्जा निश्चित चरणों में आती है, जैसे एक सीढ़ी पर रूंग। यह ऊर्जा की सही मात्रा को अवशोषित करके एक रग को कूद सकता है और उस ऊर्जा को फिर से देकर वापस कूद सकता है।

एक सीएस परमाणु घड़ी में, कूदने वाली ऊर्जा को एक बारीक ट्यून किए गए माइक्रोवेव सिग्नल द्वारा आपूर्ति की जाती है। परमाणु सबसे दृढ़ता से प्रतिक्रिया करते हैं जब माइक्रोवेव आवृत्ति 9,192,631,770 हर्ट्ज होती है। इलेक्ट्रॉनिक्स देखते हैं कि कितने परमाणु कूदते हैं। यदि वह संख्या एक शिखर के नीचे फिसल जाती है, तो उपकरण माइक्रोवेव सेटिंग को तब तक नंगा कर देता है जब तक कि कूद दर अधिकतम तक वापस न हो जाए। जब ऐसा होता है, तो माइक्रोवेव सिग्नल खुद को 9,192,631,770 हर्ट्ज होने की गारंटी देता है, यानी प्रति सेकंड 9,192,631,770 तरंगों से बना है।

आवृत्ति डिवाइडर नामक चिप्स इन माइक्रोवेव तरंगों को गिनते हैं और केवल प्रत्येक 9,192,631,770-वें एक पर से गुजरते हैं। यह लहर हर एक सेकंड के साथ आती है – और दूसरी की सी परिभाषा है।

दुनिया भर में, कई देशों ने अपने संबंधित राष्ट्रीय समय मानक को परिभाषित करने के लिए अपने स्वयं के सीएस परमाणु घड़ियों की स्थापना की है। भारत में, नई दिल्ली में राष्ट्रीय भौतिक प्रयोगशाला पांच सीएस परमाणु घड़ियों को बनाए रखती है। इनसैट उपग्रहों, दूरसंचार संकेतों और फाइबर लिंक के माध्यम से भारत के आसपास के विभिन्न अनुप्रयोगों में घड़ियों का उत्पादन प्रसारित किया जाता है।

वैज्ञानिक, हालांकि, पहले से ही अगली बड़ी चीज़ को परिष्कृत करने वाले काम पर हैं: ऑप्टिकल परमाणु घड़ी।

15 बिलियन वर्षों के लिए अच्छा है

आपके घर में लटकने वाली दीवार घड़ी की संभावना दो एए बैटरी द्वारा संचालित होती है और एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल ऑसिलेटर का उपयोग करती है। कुछ महीनों के बाद, घड़ी कुछ सेकंड खोना शुरू कर देगी। सीएस परमाणु घड़ी जो यूएस नेशनल टाइम स्टैंडर्ड को परिभाषित करती है, हालांकि हर 300 मिलियन वर्षों में केवल एक सेकंड खो देती है।

यह मूर्खतापूर्ण है, फिर भी कुछ मामलों में यह काफी अच्छा नहीं है। जैसा कि समय मानक को परिभाषित करने में उनके आवेदन से पता चलता है, परमाणु घड़ियों का उपयोग कई प्रौद्योगिकियों में किया जाता है जो हम हर दिन सामना करते हैं। अमेरिकन जीपीएस नेटवर्क, रूस के ग्लोनास, यूरोप के गैलीलियो, और भारत के नौसैनिक नक्षत्र परमाणु घड़ियों का उपयोग करते हैं, जो नागरिक और सैन्य उपयोग दोनों के लिए दूरी और स्थान डेटा को सटीक रूप से मापने के लिए सैटेलाइट्स पर परमाणु घड़ियों का उपयोग करते हैं। खगोलविद इसका उपयोग रेडियो-एस्ट्रोनॉमी में एक बड़े दूरबीन के विभिन्न हिस्सों पर प्राप्त संकेतों को एक साथ जोड़ने के लिए करते हैं। इस तरह से उन्होंने इतिहास पर कब्जा कर लिया एक ब्लैक होल की पहली तस्वीर 2019 में। जलवायु वैज्ञानिक अल्ट्रा-सटीक माप के लिए परमाणु घड़ियों का उपयोग करते हैं पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण इससे पता चलता है कि बर्फ और पानी कहां खो गए हैं।

जैसा कि इन अनुप्रयोगों का विस्तार हुआ है, परमाणु घड़ियों की अपेक्षाएं भी हैं। 9,192,631,770 हर्ट्ज के सीएस परमाणु घड़ियों में निश्चित उत्सर्जन, विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के माइक्रोवेव रेंज में है। ऑप्टिकल परमाणु घड़ियों में, यह ऑप्टिकल (या दृश्य) रेंज में है। जब दो विशेष ऊर्जा स्तरों के बीच एक स्ट्रोंटियम परमाणु कूदता है, तो विकिरण 429,228,066,418,009 हर्ट्ज है। जब एक ytterbium- आयन दो स्तरों के बीच कूदता है, तो विकिरण में आवृत्ति 642,121,496,772,645 हर्ट्ज होती है। क्योंकि इस विकिरण में प्रति सेकंड 10,000 गुना अधिक तरंगें होती हैं, एक उपकरण जो उन्हें गिन सकता है, वह भी एक सेकंड और सटीक रूप से माप सकता है।

उत्सर्जित विकिरण की आवृत्ति भी घड़ी की स्थिरता के लिए आनुपातिक है। 2014 में, एक ऑप्टिकल परमाणु घड़ी जो स्ट्रोंटियम परमाणुओं का उपयोग करती थी कथित तौर पर 15 बिलियन वर्षों में एक सेकंड से भी कम समय से बहाव। यही कारण है कि ऑप्टिकल परमाणु घड़ियों को अगले वैश्विक समय मानक बनने के लिए निर्धारित किया गया है।

लेकिन मील के पत्थर से आगे, वैज्ञानिकों को यह साबित करना होगा कि विभिन्न देशों में घड़ियां एक दूसरे से 18 वीं दशमलव स्थान से सहमत हैं।

तीन महाद्वीपों के पार

दर्ज करें: नया परीक्षण। इसमें पांच परमाणुओं के आधार पर 10 ऑप्टिकल घड़ियों को शामिल किया गया था: स्ट्रोंटियम -87 (एसआर), ytterbium-171 (yb), दो राज्यों में ytterbium-171 आयनों को चार्ज किया गया (yb⁺ e2 और yb⁺ e3), चार्ज किए गए स्ट्रोंटियम -88 (SR⁺), और इंडियम -115 आयन (in⁺)। घड़ियाँ फिनलैंड, फ्रांस, जर्मनी, इटली, यूके और जापान में छह राष्ट्रीय मेट्रोलॉजी संस्थानों में स्थित थीं।

जर्मनी से भाग लेने वाली दो घड़ियां एक ही इमारत में थीं, इसलिए वैज्ञानिकों ने अपने आउटपुट को लघु ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से जोड़ा। फ्रांस, जर्मनी और इटली में घड़ियों को दूरसंचार फाइबर से जोड़ा गया था जो पहले से ही इन देशों के माध्यम से चलते हैं। डेटा को भ्रष्ट करने से किसी भी शोर या विकृति को रोकने के लिए, वैज्ञानिकों ने बीस्पोक रिपीटर्स और एम्पलीफायरों को स्थापित किया। अंत में, अंग्रेजी चैनल, बाल्टिक सागर, और जापान के सभी रास्ते में घड़ियों को जोड़ने के लिए, टीमों ने एक उन्नत जीपीएस तकनीक का उपयोग किया, जिसे इंटेगर सटीक प्वाइंट पोजिशनिंग (IPPP) कहा जाता है।

क्योंकि ऑप्टिकल घड़ियां कभी -कभी रखरखाव के लिए ब्रेक लेती हैं, टीमों ने सरल बैकअप घड़ियों को सेट किया जो जीपीएस डेटा का उपयोग करके समय रखने के लिए अस्थायी रूप से कदम रखते हैं। जब ऑप्टिकल परमाणु घड़ियां वापस ऑपरेशन में थीं, तो बैकअप को सौंप दिया जाएगा और वापस कदम रखा जाएगा।

इस तरह, सभी घड़ियां 20 फरवरी और 6 अप्रैल, 2022 के बीच 45 दिनों तक चलती थीं। हर बार दो अलग -अलग घड़ियां चल रही थीं और जुड़ी हुई थीं, शोधकर्ताओं ने अनुपात बनाने के लिए अपनी लेजर आवृत्तियों को विभाजित किया। कुल मिलाकर टीमों ने 38 स्वतंत्र ऑप्टिकल-आवृत्ति अनुपात की सूचना दी, जो किसी भी पहले की परियोजना की तुलना में कहीं अधिक है। इन अनुपातों में से चार – yb⁺ (e3) से yb, in⁺ to yb, sr⁺ से sr, और sr⁺ से yb – से पहले कभी भी सीधे मापा नहीं गया था। सबसे तंग एकल परिणाम जर्मनी में IN⁺ और YB, (E3) घड़ियों के बीच का अनुपात था, जो स्थानीय रूप से सिर्फ 4.4 × 10 की अनिश्चितता के साथ मापा जाता है^-18।

टीमों ने पाया कि फाइबर और सैटेलाइट लिंक ने अधिकांश अनुपातों के लिए एक ही कहानी बताई। उदाहरण के लिए, जर्मनी और फ्रांस में एसआर घड़ियाँ 2 × 10 से कम के कारक से भिन्न होती हैं^-16 दोनों प्रौद्योगिकियों के माध्यम से, यह दिखाते हुए कि लंबे फाइबर और आईपीपीपी दोनों अच्छी परिस्थितियों में अल्ट्रा-सटीक समय का समर्थन कर सकते हैं। इसी तरह, समान-परमाणु अनुपात-Sr से sr, yb से yb, और yb⁺ से yb⁺-ने पुष्टि की कि कई घड़ियाँ स्वस्थ थीं। जर्मनी और यूके की घड़ियों की तुलना उत्तरी सागर में जीपी द्वारा की गई और 3 × 10 के भीतर मिलान की गई^-16 डाउनटाइम के लिए लेखांकन के बाद भी।

परिणामों को जिम्मेदारी से मिलाएं

शोधकर्ताओं ने भी उन अंतरालों को प्रकट करने में सक्षम थे जिन्हें उन्हें 2030 से पहले ठीक करना होगा। हर जीपीएस-आधारित अनुपात जिसमें इतालवी वाईबी घड़ी शामिल थी, लगभग 4 × 10 से बंद था^-16 फाइबर माप के साथ तुलना में, इतालवी सुविधा में पहले से किसी ध्यान से सिग्नल वितरण गड़बड़ की ओर इशारा करते हुए। फ्रांस और जर्मनी में स्ट्रोंटियम घड़ियों ने छोटे लेकिन वास्तविक ऑफसेट दिखाए, 2 × 10 तक^-16जब टीमों ने उन्हें अन्य घड़ियों और एक दूसरे के खिलाफ जाँच की। ये बदलाव दूसरे की भविष्य की परिभाषा के लिए काफी बड़े थे और उन्हें आगे के अध्ययन की आवश्यकता होगी।

परीक्षण का वर्णन करने वाले कागज के लेखक, में प्रकाशित ऑप्टिकल 12 जून को, नोट किया गया कि इस तरह के हिचकी को पहचानना ठीक है कि बड़े, निरर्थक अभियान मूल्यवान हैं।

क्योंकि कई अनुपातों ने एक ही घड़ियों, फाइबर, बैकअप या जीपीएस रिसीवर साझा किए, टीमों ने कहा कि उनकी त्रुटियों को सहसंबद्ध किया गया था। इसे संबोधित करने के लिए, उन्होंने 242 गैर-शून्य सहसंबंध गुणांक कैप्चर करने वाला एक 38 × 38 मैट्रिक्स विकसित किया। इन गुणांक ने उस डिग्री पर कब्जा कर लिया, जिसमें कोई भी दो चर संबंधित थे, उदाहरण के लिए यह 0.94 था जब दो अनुपातों ने एक ही फाइबर पर एक सामान्य घड़ी साझा की। टीमों ने कहा कि इन सहसंबंधों को प्रकाशित करने से भविष्य के विश्लेषकों को डबल-काउंटिंग जानकारी के बजाय जिम्मेदारी से परिणाम मिलेंगे।

अंतिम विश्लेषण में, यह दिखाते हुए कि तीन महाद्वीपों में 10 विषम घड़ियां एक -दूसरे के साथ एक कारक 10 के भीतर सहमत हो सकती हैं^-16 से 10^-18और दुर्लभ मामलों की पहचान करके जब वे नहीं थे, परीक्षण ने कई बाधाओं को मंजूरी दे दी है रास्ते में ऑप्टिकल परमाणु घड़ी मानकों के साथ एसआई सेकंड को फिर से परिभाषित करने के लिए।