Kuantum dünyasının sarkacını gördünüz mü? Anlamak için uyarlamanız gereken bazı yeni alışkanlıklar var
Resim kaynağı: Visual China
Aşina olduğumuz sarkaç, insanlara 300 yıldan uzun süredir vicdanlı bir şekilde zamanın geçişini hatırlatıyor. Bilim ve teknolojinin gelişmesi kuantum çağına girdiğinde, zamanlama doğruluğunun gereklerini karşılaması zor olan geleneksel sarkaç, kuantum dünyasının atomik salınımında sarkaçla yer değiştiriyor. Gelecekte bir noktada, zamanın geçişi rakımı ölçmek ve hatta yerçekimi dalgalarını tespit etmek için kullanılabildiğinde, insani gelişme de yeni bir çağ başlatacaktır.
Zaman, insanların eski zamanlardan beri sahip olduğu basit bir kavramdır ve şeylerin değişimini ölçer. Örneğin, kendimizi karşımızdaki aynada gördüğümüzde, aynı anda beyindeki anıyı veya fotoğrafları aynı anda "daha genç olanı" hatırlamak ve "gerçeklik" ile "hafıza" arasındaki farkı açıklamak için kullanacağız. Zamanın geçişi için.
Açıktır ki, bu şekilde algılanan zaman son derece belirsizdir. Zamanı daha doğru ölçmek için insanlar sürekli olarak daha doğru saatler geliştiriyorlar. Makroskopik nesneler çok farklıdır ve zaman ölçümünün doğruluğunu etkileyen çok fazla faktör vardır. İnsanların zaman doğruluğu gereksinimleri arttıkça, bilim adamları dikkatlerini yavaş yavaş mikroskobik nesnelere çeviriyor.
Makroskopik nesnelerle karşılaştırıldığında, mikroskobik nesneler neredeyse mükemmel bir tutarlılığa sahiptir. Buradaki bir hidrojen atomu ile dinozorlar çağındaki bir hidrojen atomu arasında özünde bilinen bir fark yoktur. Bu, insanlara mikroskobik nesnelerin durumundaki değişiklikleri bir zaman kriteri olarak kullanmanın zamanı daha doğru bir şekilde ölçebileceğini hatırlatır. Kuantum mekaniği zaman ölçümüne girdiğinde atomik saatler ortaya çıktı.
Dünyayı kuantum kavramlarla görmek: uyarlamanız gereken yeni alışkanlıklar
İnsan uygarlığının ilk günlerinde zaman tutma, damlayan su, tütsü yakma ve hatta güneşin gölgesinin hareketine dayanıyordu. Sarkaç üç yüz yıldan daha önce ortaya çıktı. Newton mekaniğine göre, yeryüzünde belli bir uzunluğa sahip basit bir sarkaç, belli bir konumda hafifçe sallanır ve sallanma süresi neredeyse sabittir. Bu nedenle, basit bir sarkacın salınımını sayarak geçen zamanın uzunluğu ölçülebilir.
Belirli bir aralık içinde Newton mekaniği, salınım periyodunun sarkaç uzunluğunun karekökü ile orantılı olduğunu öngörür ve bu formül uygulanabilir. Ancak sarkaç dünyanın boyutuna yakınsa ne olur? Ya sarkaç, salınımı sırasında dış kuvvetler tarafından rahatsız edilirse?
Aslında, makro dünyada sarkacın salınımını etkileyen birçok faktör vardır ve sarkaç hattındaki küçük bir toz bile salınım döngüsünü değiştirecektir. Açıktır ki, insanların zaman hassasiyeti talebi belli bir seviyeye ulaştığında, makro dünyanın sarkacı, mekanik güç yardımıyla bile bu zamanlama ihtiyaçlarını güçlükle karşılayabilmektedir.
İnsanlar, Newton mekaniğinin artık mikroskobik dünyanın davranışını açıklayamadığını, ancak kuantum mekaniğinin, bilim adamlarının zaten bildiği mikroskobik nesnelerin (bazı makroskopik nesneler dahil) tüm davranışlarını mükemmel bir şekilde açıklayabildiğini keşfettiler.
Kuantum mekaniği "değişimi" ve "hareketi" yeniden yorumlar.Temel yasalar zor değildir, ancak yasalar çoğu insana aşina değildir. Bir kez alıştıktan sonra onu daha doğal bir şekilde anlayabilir ve kullanabilirsiniz.
Newton yasasında, "siyah veya beyaz" nesnelerin varlığına alıştık. Fakat kuantum dünyasında, ister atomlar ister makroskopik nesneler gibi mikroskobik nesneler olsun, yeni bir alışkanlık nesnesine uyum sağlamanız gerekir, genellikle kesin ve ayrıntılı bir duruma sahip değildir, varoluş durumu bir olasılıktır.
Matematiği açıklamak için kullanırsak, bunu şu şekilde anlayabiliriz: Belirli bir ölçüm yönteminin öncülü altında, bir noktasal parçacığın tüm olası konumları gibi bir nesnenin tüm olası gözlemlenen durumlarını dikkate almalıyız. Birbirini dışlayan. Ardından, olası her duruma iki boyutlu bir vektör (soyut iki boyutlu bir düzlemde var olan) atarız. Bu vektörün uzunluğunun karesi, nesnenin bu durumda olma olasılığını temsil eder, bu nedenle bu vektöre "olasılık Genişlik". Tüm bu olası durumların olasılıklarının toplamı genellikle 1'e ayarlanır; bu, nesnelerin her zaman bu olası durumlarda görüneceği anlamına gelir.
Bir nesnenin sıfır olmayan en az iki olasılık genliği varsa, nesnenin farklı durumların üst üste binme durumunda olduğunu düşünürüz. Örneğin, metal bir kutudaki boşluk, fotonlu ve fotonsuz bir süperpozisyon durumunda olabilir (fotonlar, ışığın temel parçacıklarıdır ve enerji, momentum ve ağırlık gibi çeşitli fiziksel özelliklere sahiptir). "Schrödinger'in Kedisi" bu gerçeği açıklıyor.
Balerinler tarafından gerçekleştirilen dans: Karmaşık hareketler elde etmek için kararlı hal süperpozisyonu
Kuantum mekaniği, nesnelerin zaman içinde nasıl geliştiğini belirtir. Önceki paragrafta bahsedilen tüm vektörler, ilgili düzlemlerinde aynı frekansla aynı yönde dönüyorsa (örneğin, hepsi saat yönünde dönüyorlarsa) ve uzunluk aynı kalıyorsa, nesnenin belirli bir enerjiye sahip olduğu kabul edilir.
Belirli enerji durumuna aynı zamanda sabit durum da denir. Durağan durumdaki bir nesnenin algılanabilir bir zaman gelişimi yoktur - çeşitli olasılıkların olasılığı zamanla değişmez. En düşük enerjiye sahip sabit duruma "temel durum" ve daha yüksek enerjili çeşitli durumlara "uyarılmış durum" denir.
Kuantum mekaniği, gerçek dünyadaki tüm değişikliklerin farklı enerjilerin "karışmasının" sonucu olduğuna inanır. Örneğin, nesne, farklı enerjilere sahip iki sabit durumun üst üste binmesindeyse, her mikroskobik durumun toplam olasılık genliğinin zamanla nasıl değiştiğini bilmek için paralelkenar kuralına göre karşılık gelen iki vektör kümesi ayrı ayrı üst üste getirilmelidir. .
İki vektör kümesinin farklı açısal hızları nedeniyle, her olası mikroskobik durumun olasılığının zamanla periyodik olarak değiştiğini göreceksiniz. Toplam olasılığın zamanla değişmemesini sağlamak için, farklı enerjilerin sabit durum olasılık genliklerinin belirli bir ilişkiyi karşılamasını sağlamak gerekir. Örneğin, bir balerin tarafından gerçekleştirilen karmaşık dans hareketlerinin birçok olası enerjiye sahip olduğu düşünülebilir - daha kararlı durum süperpozisyonu yoluyla, herhangi bir karmaşık hareket elde edebilirsiniz.
Bir sarkaç yapmak için atomik titreşimi kullanma: "Kuantum Saati", zamanlama bilgisini yeniler
İnsanların atomik saatler geliştirmek istemelerinin nedeni, makro dünyadaki sarkaçla karşılaştırıldığında, sarkaç yapmak için atomların titreşimlerinin kullanılması zamanlama doğruluğunu çok yüksek bir seviyeye çıkarabilmesidir. Atom neden bu büyülü yeteneğe sahip? Bu gizemi çözmek için kuantum dünyasına girelim.
Atomdaki elektronlar iki farklı enerji durumunun üst üste binme durumundaysa, çekirdek etrafına dağılan elektronların olasılık yoğunluğu (yani "elektron bulutu"), basit bir sarkaç gibi zamanla ileri geri salınabilir. Aslında kuantum mekaniği, makroskopik dünyada basit bir sarkacın karşılıklı salınımının aynı zamanda basit sarkacın farklı enerji durumlarının üst üste binmesinin sonucu olduğuna inanmaktadır.Bu bakımdan mikroskobik dünyada elektronlardan önemli bir fark yoktur.
Atomun farklı kısımları birbirine göre ileri geri salındığında, atom, atomun iki enerji seviyesi arasındaki farkın Planck sabitine bölünmesine eşit bir frekansla elektromanyetik dalgalar yayar. Bu elektromanyetik dalganın frekansı son derece kararlıdır ve atom saati, zamanlamak için salınım sayısını kullanır - bu, atom saatinin temel prensibidir.
Gerçek atom saatleri, aktif ve pasif tiplere ayrılmıştır. Aktif atom saatleri, atomik salınımlarla belirli frekanslarda elektromanyetik dalgalar yayar. Pasif atom saati, "çan lazerleri" adı verilen (atomik saatteki diğer lazerlerden farklı olarak), son derece kararlı frekans lazerleri üretmek için makro boyutta bir "ultra kararlı boşluğa" sahiptir. Saat lazerinin frekansı atomun doğal frekansı ile tutarlıysa, o zaman atom lazer enerjisini rezonant olarak emecek ve uyarılmış bir duruma girecektir (bu, uygun bir frekansla çalıştırılan basit bir sarkacın rezonansına benzer). Bu özelliği kullanarak atom saati, saat lazer frekansını atomik salınım frekansı ile sürekli olarak karşılaştırır, atomik salınım frekansında kararlı olmasını sağlamak için saat lazer frekansını sürekli olarak düzeltir ve ardından saati zamanlamak için bu lazer frekansını kullanır.
Optik kafesli soğuk atom saatinin geliştirilmesi: Dünyanın en doğru zaman işleyişine meydan okuyun
Bir atom bize göre uçarken, aldığımız atomun yaydığı elektromanyetik dalganın frekansı atomun doğal frekansından sapacaktır, buna Doppler etkisi denir. Bir atom gözlemciye doğru uçtuğunda, gözlemlenen elektromanyetik dalga frekansı, atomun doğal frekansından daha yüksektir; atom gözlemciden uzaklaştığında, gözlemlenen frekans doğal frekanstan daha düşüktür.
Doppler etkisinin neden olduğu frekans sapmasının neden olduğu zaman ölçüm hatasını azaltmak için insanlar atomların termal hareketini yavaşlatmak için atomları çok düşük bir sıcaklığa soğuturlar. Çin, uzaya soğuk bir atom saati koyan dünyadaki ilk ülkedir.Tiangong-2'deki uzay soğuk atom saati, uzayda servis sırasında kararlı bir şekilde çalışarak, uzay yörüngesindeki insan zaman ölçümünün doğruluğunu bir büyüklük sırasından daha fazla artırıyor. 30 milyon yıllık hata bir saniyeden azdır.
Daha yüksek zaman doğruluğu elde etmek için atomlar nasıl dondurulur? Önemli fikirlerden biri, birçok atomun uzamsal hareketini dondurmak için optik kafesleri (belirli frekanslara sahip lazerlerin oluşturduğu duran dalgalar) kullanmak, böylece Doppler etkisini tamamen ortadan kaldırmak ve bu atomları uzun süre (saniyeler mertebesine kadar) gözlemlemektir. Benzeri görülmemiş frekans kararlılığı elde edin. Optik kafes lazerin atomik salınım frekansı üzerindeki etkisinden mümkün olduğunca kaçınmak için, optik kafes lazerin frekansı "sihirli frekans" adı verilen belirli bir değerde seçilmelidir. Atomlar ne kadar çok dondurulursa donma süresi o kadar uzun ve frekans kararlılığı o kadar yüksek olur.
Bununla birlikte, iki soğuk atom yaklaştığında, her bir atom diğer atomun salınımının frekansını değiştirerek, zaman ölçümünün doğruluğunu tehlikeye atar. Bu "çarpışma frekansı kaymasını" daha iyi ortadan kaldırmak için, optik kafes soğuk atomik saatler genellikle "Fermi" atomlarını (tek sayıda proton, nötron ve elektron içeren atomlar) kullanır, örneğin stronsiyum-87, iterbiyum-171, Cıva -199.
Bunun nedeni, Fermi atomlarının Pauli dışlama ilkesini karşılamasıdır: eğer aynı iç durumda hazırlanırlarsa, iki atom arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak uzayda hareket olasılıkları, uzaklığın ilk kuvvetine göre sıfıra yönelecektir. (Yaklaşık olarak). Bu şekilde, iki atomun bir araya gelme olasılığı çok küçük hale gelir, çarpışma frekansı kaymasını büyük ölçüde azaltır ve zaman ölçüm doğruluğunu büyük ölçüde iyileştirir.
Bazı tek iyonlu saatler dışında, optik kafesli soğuk atomik saatler, mikrodalga atom saatlerinden yüzlerce kat daha yüksek olan 10-18 veya daha yüksek bir doğrulukla dünyadaki en hassas saat türü haline geldi.
Çinin optik kafesli soğuk atom saati, yurt dışından biraz daha geç başladı, ancak Çin Metroloji Akademisi ve Çin Bilimler Akademisi Ulusal Saat Hizmet Merkezi tarafından geliştirilen stronsiyum optik kafes saati ve Doğu Çin Normal Üniversitesinin iterbiyum optik kafes saati 10-16ya ulaştı. Büyüklük, birkaç yüz milyon yılda bir saniyelik bir farka eşittir. Wuhan Fizik ve Matematik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi'nden iterbiyum optik kafes saatlerinin ve Çin Bilimler Akademisi Şangay Optik ve İnce Mekanik Enstitüsü'nden cıva optik kafes saatlerinin geliştirilmesinde yeni atılımlar yapıldı.
(Yazar, Peking Üniversitesi Fizik Fakültesi Kuantum Malzeme Bilimi Merkezi'nde profesördür)
> > > Sana atom saatini göster
1. Mikrodalga atom saati
Şimdiye kadar, çoğu atom saati atomların mikrodalga frekansı salınımına dayanıyor ve salınım frekansı genellikle gigahertz düzeninde.
Sezyum atom saati
Uluslararası Birim Sisteminin zaman birimi saniye, sezyum-133 atomunun mikrodalga frekansı salınım süresinin bir tam sayı katına göre tanımlanır.
Rubidyum Atom Saati
Pasif atomik saatler, rubidyum atomunun temel durumunun süper ince enerji seviyeleri arasındaki geçişle yayılan elektromanyetik dalgaları kullanır ve küçük boyut ve yüksek hassasiyet özelliklerine sahiptir.
Hidrojen atom saati
Hidrojen atomu enerji seviyesinden yayılan elektromanyetik dalga, kuvars saatini kontrol etmek ve kalibre etmek için atlar.Kararlılık oldukça yüksektir ve günlük değişim yalnızca saniyenin milyarda biridir.
2. Optik Frekanslı Atomik Saat
Zaman ölçümünün doğruluğunu daha da iyileştirmek için, geçtiğimiz on yılda insanlar, mikrodalga saatlerin frekansından onbinlerce ve 100.000 kat daha yüksek olan çok sayıda optik frekanslı atomik saat üzerinde çalıştılar.
Optik kafes soğuk atom saati
Optik kafes lazeri atomları dondurmak için kullanılır, böylece ultra yüksek frekans kararlılığı elde edilir. Doğruluğu 10-18 veya daha yükseğe ulaşabilir.
Stronsiyum Atom Saati
Bir tür optik kafes soğuk atom saati. Atomun frekansı ne kadar yüksekse, belirli bir zamandaki salınımların sayısı o kadar fazla, zaman o kadar doğru ölçülebilir, ancak öncül şu ki, enerji uyarılmış durumdaki atomun ömrü çok kısa olamaz, aksi takdirde atom güçlü sürtünmeli basit bir sarkaç ile aynı genliğe sahip olacaktır Hızlı düşüş, bir salınım frekansını yeterince doğru bir şekilde tanımlayamaz. Stronsiyum-87 atomu, 150 saniyeye kadar ortalama bir ömre sahip, uzun ömürlü bir uyarılmış duruma sahip olur ve temel durum ile üst üste getirildiğinde salınım frekansı yaklaşık 429 terahertz kadar yüksektir, bu nedenle önemli bir zaman referansı haline gelir.
Yazar: Sodyum olarak tan (Kuantum Malzeme Bilimi Merkezi, Profesör, Fizik Fakültesi, Pekin Üniversitesi) Editör: Xu Qimin Sorumlu editör: Ren Quan
* Wenhui'ye özel el yazması, lütfen yeniden basımın kaynağını belirtin.
