Questo mese il mondo della fisica si è trasformato in un po 'di tizz come gli scienziati del CERN, il Laboratorio europeo di fisica delle particelle, hanno riscontrato un'anomalia in uno dei loro esperimenti, che sembrava mostrare che alcune particelle viaggiavano più velocemente della luce.

I server del tempo possono fornire la precisione dell'orologio atomico

Naturalmente, secondo la teoria della relatività speciale di Einstein, è vietato viaggiare più velocemente di qualsiasi particella, ma il team OPERA del CERN, che ha sparato neutrini attorno a un acceleratore di particelle, viaggiando per 730 km, ha scoperto che i neutrini percorrevano le distanze 20 parti per milioni più veloce dei fotoni (particelle di luce), il che significa che hanno infranto il limite di velocità di Einstein.

Anche se questo esperimento potrebbe rivelarsi una delle scoperte più importanti della fisica, i fisici restano scettici, suggerendo che una causa potrebbe essere un errore generato nelle difficoltà e complessità della misurazione di tali alte velocità e distanze.

Il team del CERN ha usato GPS time server, orologi atomici portatili e sistemi di posizionamento GPS per fare i loro calcoli, che hanno tutti fornito la precisione della distanza all'interno di 20cm e una precisione di tempo entro i nanosecondi 10. Tuttavia, l'impianto è sotterraneo e i segnali GPS e altri flussi di dati dovevano essere cablati fino all'esperimento, una latenza che il team è sicuro di aver preso in considerazione durante i calcoli.

I fisici di altre organizzazioni stanno ora tentando di ripetere gli esperimenti per vedere se ottengono gli stessi risultati. Qualunque sia il risultato, questo tipo di ricerca pionieristica è possibile solo grazie all'accuratezza degli orologi atomici in grado di misurare il tempo a milionesimi di secondo.

Per sincronizzare una rete di computer con un orologio atomico non è necessario avere accesso a un laboratorio di fisica come il CERN come semplice NTP time server come i galeoni NTS 6001 riceverà una fonte accurata di tempo di orologio atomico e manterrà tutto l'hardware su una rete entro pochi millisecondi.

Molti di noi pensano che sappiamo che ora è. A colpo d'occhio i nostri orologi da polso o orologi da parete, possiamo dire che ore sono. Pensiamo anche di avere una buona idea dell'andamento del tempo di velocità in avanti, un secondo, un minuto, un'ora o un giorno sono abbastanza ben definiti; tuttavia, queste unità di tempo sono completamente create dall'uomo e non sono costanti come possiamo pensare.

Il tempo è un concetto astratto, mentre potremmo pensare che sia uguale per tutti, il tempo è influenzato dalla sua interazione con l'universo. La gravità, per esempio, come osservò Einstein, ha la capacità di deformare lo spazio-tempo alterando la velocità in cui il tempo passa, e mentre viviamo tutti sullo stesso pianeta, sotto le stesse forze gravitazionali, ci sono sottili differenze nella velocità in cui il tempo passa.

Utilizzando gli orologi atomici, gli scienziati sono in grado di stabilire l'effetto della gravità terrestre in tempo. Al di sopra del livello del mare viene posizionato un orologio atomico, il tempo più veloce viaggia. Mentre queste differenze sono minime, questi esperimenti dimostrano chiaramente che le postulazioni di Einstein erano corrette.

Gli orologi atomici sono stati usati per dimostrare alcune delle altre teorie di Einstein riguardo al tempo. Nelle sue teorie della relatività, Einstein sosteneva che la velocità è un altro fattore che influenza la velocità a cui passa il tempo. Collocando orologi atomici su astronavi orbitanti o aeroplani che viaggiano a velocità, il tempo misurato da questi orologi si differenzia dagli orologi rimasti statici sulla Terra, un altro indizio del fatto che Einstein aveva ragione.

Prima degli orologi atomici, misurare il tempo con un tale grado di precisione era impossibile, ma dalla loro invenzione in 1950, non solo le postulazioni di Einstein si sono rivelate giuste, ma abbiamo anche scoperto alcuni altri aspetti insoliti del modo in cui consideriamo il tempo.

Mentre la maggior parte di noi pensa a un giorno come 24-ore, con ogni giorno della stessa lunghezza, gli orologi atomici hanno dimostrato che ogni giorno varia. Inoltre, orologi atomici hanno anche dimostrato che la rotazione della Terra sta gradualmente rallentando, il che significa che i giorni stanno lentamente diventando più lunghi.

A causa di questi cambiamenti nel tempo, la scala cronologica globale del mondo, UTC (Coordinated Universal Time) necessita di aggiustamenti occasionali. Ogni sei mesi circa, vengono aggiunti i secondi bisestili per garantire che l'UTC funzioni alla stessa velocità di un giorno terrestre, tenendo conto del graduale rallentamento della rotazione del pianeta.

Per le tecnologie che richiedono alti livelli di accuratezza, questi regolari aggiustamenti di tempo sono calcolati dal protocollo NTP (Network Time Protocol) orario quindi una rete di computer che utilizza un NTP time server è sempre mantenuto fedele a UTC.

L'orologio atomico non è una recente invenzione. Sviluppato negli 1950, il tradizionale orologio atomico a base di cesio ci ha fornito un tempo preciso per mezzo secolo.

La orologio atomico al cesio è diventato il fondamento del nostro tempo - letteralmente. Il Sistema internazionale di unità (SI) definisce un secondo come un certo numero di oscillazioni del cesio atomico e gli orologi atomici governano molte delle tecnologie con cui viviamo quotidianamente: Internet, navigazione satellitare, controllo del traffico aereo e semafori per nominare alcune.

Tuttavia, i recenti sviluppi negli orologi ottici ottici che utilizzano singoli atomi di metalli come l'alluminio o lo stronzio sono migliaia di volte più accurati rispetto agli orologi atomici tradizionali. Per mettere questo in prospettiva, il miglior orologio atomico al cesio utilizzato da istituti come il NIST (National Institute for Standards and Time) o NPL (National Physical Laboratory) per governare la scala temporale globale del mondo UTC (Coordinated Universal Time), è preciso in un secondo ogni 100 milioni di anni. Tuttavia, questi nuovi orologi ottici quantistici sono precisi ad un secondo ogni 3.4 miliardi di anni - quasi quanto la terra è vecchia.

Per la maggior parte delle persone, il loro unico incontro con un orologio atomico sta ricevendo il suo segnale orario è a ora del server di rete or Dispositivo NTP (Network Time Protocol) ai fini della sincronizzazione di dispositivi e reti e questi segnali di orologio atomico sono generati utilizzando orologi al cesio.

E fino a quando gli scienziati del mondo non saranno d'accordo su un singolo atomo per sostituire il cesio e un design a singolo orologio per mantenere UTC, nessuno di noi sarà in grado di approfittare di questa incredibile precisione.

Gli orologi atomici sono i cronometri più accurati che abbiamo. Sono milioni di volte più accurati degli orologi digitali e possono conservare il tempo per centinaia di milioni di anni senza perdere nemmeno un secondo. Il loro uso ha rivoluzionato il modo in cui viviamo e lavoriamo e hanno consentito tecnologie come i sistemi di navigazione satellitare e il commercio online globale.

Ma come lavorano? Stranamente, gli orologi atomici funzionano allo stesso modo degli orologi meccanici ordinari. Ma piuttosto che avere una molla a spirale e una massa o un pendolo usano le oscillazioni degli atomi. Gli orologi atomici non sono radioattivi in ​​quanto non si basano sul decadimento atomico, ma si basano sulle minuscole vibrazioni a determinati livelli di energia (oscillazioni) tra il nucleo di un atomo e gli elettroni circostanti.

Quando l'atomo riceve l'energia del microonde esattamente alla giusta frequenza, cambia stato energetico, questo stato è costante e immutabile e le oscillazioni possono essere misurate proprio come le zecche di un orologio meccanico. Tuttavia, mentre gli orologi meccanici spuntano ogni secondo, orologi atomici 'tick' diversi miliardi di volte al secondo. Nel caso degli atomi di cesio, più comunemente usati negli orologi atomici, spuntano 9,192,631,770 al secondo - che ora è la definizione ufficiale di un secondo.

Gli orologi atomici ora governano l'intera comunità globale come una scala temporale universale UTC (Coordinated Universal Time) basato sul tempo di orologio atomico è stato sviluppato per garantire la sincronizzazione. Segnali di orologio atomico UTC può essere ricevuto dai server di riferimento della rete, spesso indicati come Server NTP, che può sincronizzare le reti di computer in pochi millisecondi di UTC.

Da orologi da polso a orologi atomici e time server NTP, la comprensione del tempo è diventata cruciale per molte tecnologie moderne come la navigazione satellitare e le comunicazioni globali.

Dalla dilatazione del tempo agli effetti della gravità sul tempo, il tempo ha molte sfaccettature strane e meravigliose che gli scienziati stanno solo iniziando a capire e utilizzare. Ecco alcuni fatti interessanti, strani e insoliti sul tempo:

• Il tempo non è separato dallo spazio, il tempo compone ciò che Einstein chiamava il tempo spaziale a quattro dimensioni. Il tempo spaziale può essere deformato dalla gravità, il che significa che il tempo rallenta e maggiore è l'influenza gravitazionale. Grazie a orologi atomici, il tempo sulla terra può essere misurato ad ogni pollice successivo sopra la superficie terrestre. Ciò significa che tutti i piedi del corpo sono più giovani della loro testa, mentre il tempo scorre più lentamente a terra.

• Anche il tempo è influenzato dalla velocità. L'unica costante nell'universo è la velocità della luce (nel vuoto) che è sempre la stessa. A causa delle famose teorie della relatività di Einstein, chiunque viaggiava vicino alla velocità della luce, un viaggio verso un osservatore che avrebbe richiesto migliaia di anni sarebbe passato in pochi secondi. Questo è chiamato dilatazione del tempo.

• Non c'è nulla nella fisica contemporanea che vieti i viaggi nel tempo sia in avanti che indietro nel tempo.

• Ci sono 86400 secondi in un giorno, 600,000 in una settimana, più di 2.6 milioni in un mese e più di 31 milioni in un anno. Se vivi per essere 70 anni allora avrai vissuto oltre 5.5 miliardi di secondi.

• Un nanosecondo è un miliardesimo di secondo o approssimativamente il tempo impiegato dalla luce per viaggiare sul piedino 1 (30 cm).

• Un giorno non dura mai 24 ore. La rotazione della Terra sta accelerando gradualmente, il che significa che la scala cronologica globale UTC (tempo universale coordinato) deve avere i secondi bisestili aggiunti una o due volte l'anno. Questi secondi bisestili vengono automaticamente considerati in qualsiasi sincronizzazione dell'orologio che utilizza NTP (Network Time Protocol) come a time server NTP dedicato.

In seguito al successo dei ricercatori danesi che lavorano in collaborazione con NIST (National Institute for Standards and Time), che ha presentato l'orologio atomico più preciso al mondo all'inizio di quest'anno; Scienziato tedesco è entrato nella corsa per costruire il segnatempo più preciso del mondo.

Ricercatori del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Germania stanno usando nuovi metodi di spettroscopia per studiare sistemi atomici e molecolari e sperare di sviluppare un orologio basato su un singolo atomo di alluminio.

ponte orologi atomici utilizzato per la navigazione satellitare (GPS), come riferimento per la rete di computer NTP server e il controllo del traffico aereo è stato tradizionalmente basato sul cesio atomico. Tuttavia, la prossima generazione di orologi atomici, come quella svelata dal NIST, che si ritiene sia accurata in un secondo ogni 300 milione di anni, usa gli atomi di altri materiali come lo stronzio che gli scienziati affermano essere potenzialmente più accurati del cesio .

I ricercatori di PTB hanno scelto di utilizzare singoli atomi di alluminio e credono di essere sulla strada per sviluppare l'orologio più accurato di sempre e ritengono che ci sia un enorme potenziale per un tale dispositivo che ci aiuti a comprendere alcuni degli aspetti più complicati della fisica.

L'attuale coltura di orologi atomici consente di utilizzare tecnologie come la navigazione satellitare, il controllo del traffico aereo e la sincronizzazione temporale della rete NTP server ma si ritiene che l'aumento della precisione della prossima generazione di orologi atomici potrebbe essere usato per rivelare alcune delle qualità più enigmatiche della scienza quantistica come la teoria delle stringhe.

I ricercatori affermano che i nuovi orologi forniranno tale precisione che saranno persino in grado di misurare le minuscole differenze di gravità entro ogni centimetro sopra il livello del mare.

Armi nucleari, computer, GPS, orologi atomici e datazione al carbonio - c'è molto più per gli atomi di quanto pensi.

Dall'inizio del XX secolo l'umanità è stata ossessionata dagli atomi e dalle minuzie del nostro universo. Gran parte della prima parte del secolo scorso, l'umanità divenne ossessionata dall'imbrigliare il potere nascosto dell'atomo, rivelato a noi dall'opera di Albert Einstein e finalizzato da Robert Oppenheimer.

Tuttavia, c'è stata molto di più nella nostra esplorazione dell'atomo oltre alle sole armi. Lo studio degli atomi (meccanica quantistica) è stato alla base della maggior parte delle nostre moderne tecnologie come computer e Internet. È anche in prima linea nella cronologia: la misurazione del tempo.

L'atomo svolge un ruolo chiave sia nel cronometraggio che nella previsione del tempo. L'orologio atomico, che viene utilizzato in tutto il mondo tramite reti di computer NTP server e altri sistemi tecnici come il controllo del traffico aereo e la navigazione satellitare.

Gli orologi atomici lavorare monitorando le oscillazioni ad altissima frequenza dei singoli atomi (tradizionalmente cesio) che non cambiano mai in particolari stati energetici. Dato che gli atomi di cesio risuonano su un 9 miliardi di volte al secondo e non alterano mai la sua frequenza, ciò lo rende molto preciso (perdendo meno di un secondo ogni 100 milioni di anni)

Ma gli atomi possono anche essere utilizzati per calcolare non solo il tempo preciso e preciso, ma possono anche essere utilizzati per stabilire l'età degli oggetti. La datazione al carbonio è il nome dato a questo metodo che misura il decadimento naturale degli atomi di carbonio. Tutti noi siamo fatti principalmente di carbonio e, come gli altri elementi, i "decadimenti" del carbonio nel tempo in cui gli atomi perdono energia emettendo particelle ionizzanti e radiazioni.

In alcuni atomi come l'uranio ciò avviene molto rapidamente, tuttavia altri atomi come il ferro sono altamente stabili e si deteriorano molto, molto lentamente. Il carbonio, mentre si decompone più velocemente del ferro, è ancora lento a perdere energia, ma la perdita di energia è esatta nel tempo, quindi analizzando gli atomi di carbonio e misurandone la forza può essere accertato con precisione quando il carbonio si è formato originariamente.

Gli orologi atomici hanno avuto un'enorme influenza sulla nostra vita moderna con molte delle tecnologie che hanno rivoluzionato il modo in cui viviamo le nostre vite facendo affidamento sulle loro abilità di conservazione del tempo ultra precise.

Gli orologi atomici sono molto diversi dagli altri cronometri; un normale orologio o orologio manterrà l'ora in modo abbastanza preciso ma perderà secondi o due al giorno. D'altro canto, un orologio atomico non perderà un secondo in milioni di anni.

In effetti è giusto dire che un orologio atomico non misura il tempo ma è il fondamento su cui basiamo le nostre percezioni del tempo. Lasciatemi spiegare, il tempo, come ha dimostrato Einstein, è relativo e l'unica costante nell'universo è la velocità della luce (sebbene sia un vuoto).

Misurare il tempo con una precisione reale è quindi difficile, perché anche la gravità della Terra distorce il tempo, rallentandolo. È anche quasi impossibile basare il tempo su qualsiasi punto di riferimento. Storicamente abbiamo sempre usato la rivoluzione della terra e il riferimento ai corpi celesti come base per il nostro tempo che racconta (24 ore in un giorno = una rivoluzione della Terra, 365 giorni = una rivoluzione della terra intorno al Sole ecc.).

Sfortunatamente la rotazione della Terra non è un preciso riferimento per basare il nostro tempo. La terra rallenta e accelera nella sua rivoluzione, il che significa che alcuni giorni sono più lunghi di altri.

Gli orologi atomici tuttavia, utilizzava la risonanza degli atomi (normalmente il cesio) in particolari stati energetici. Poiché questi atomi vibrano a frequenze esatte (o un numero esatto di volte) questo può essere usato come base per raccontare il tempo. Quindi, dopo lo sviluppo dell'orologio atomico, il secondo è stato definito come oltre 9 miliardi di "tick" di risonanza dell'atomo di cesio.

La natura ultra precisa degli orologi atomici è alla base di tecnologie come la navigazione satellitare (GPS), il controllo del traffico aereo e il commercio via Internet. È possibile utilizzare la natura precisa degli orologi atomici per sincronizzare anche le reti di computer. Tutto ciò che serve è a NTP time server (Network Time Protocol).
NTP server ricevere il tempo dagli orologi atomici tramite un segnale di trasmissione o la rete GPS, quindi distribuirlo tra una rete assicurando che tutti i dispositivi abbiano esattamente lo stesso tempo ultra preciso.

Quei pionieri cronologici a NIST hanno collaborato con l'Università del Colorado e hanno sviluppato l'orologio atomico più preciso al mondo fino ad oggi. L'orologio a base di stronzio è quasi due volte più preciso degli attuali orologi al cesio usati per governare UTC (Coordinated Universal Time) in quanto perde solo un secondo ogni 300 milioni di anni.

A base di stronzio orologi atomici vengono ora visti come la via da percorrere nel cronometraggio poiché sono ottenibili livelli superiori di accuratezza che non sono possibili con l'atomo di cesio. Gli orologi di stronzio, come i loro predecessori, agiscono sfruttando la vibrazione naturale degli atomi, ma altamente coerente.

Tuttavia, queste nuove generazioni di orologi utilizzano raggi laser e temperature estremamente basse prossime allo zero assoluto per controllare gli atomi e si spera che sia un passo avanti nella creazione di un orologio perfettamente preciso.

Questa estrema precisione può sembrare un passo troppo lungo e inutile, ma gli usi per tale precisione sono molti e quando si considerano le tecnologie sviluppate basate sulla prima generazione di orologi atomici come la navigazione GPS, Server NTP sincronizzazione e trasmissione digitale un nuovo mondo di tecnologia entusiasmante basato su questi nuovi orologi potrebbe essere proprio dietro l'angolo.

Mentre attualmente la scala cronologica globale del mondo, UTC, si basa sul tempo raccontato da una costellazione di orologi al cesio (e incidentalmente anche la definizione di un secondo come poco più di 9 miliardi di zecche al cesio), si pensa che quando il Comitato consultivo per Tempo e frequenza presso il Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) dopo si incontrerà discuterà se fare queste prossime generazioni di orologi atomici il nuovo standard.

Tuttavia, gli orologi di stronzio non sono l'unico metodo di tempo altamente preciso. L'anno scorso un orologio quantistico, sviluppato anche al NIST, ha gestito l'accuratezza di 1 secondo in 1 miliardi di anni. Tuttavia, questo tipo di orologio non può essere monitorato direttamente e richiede uno schema più complesso per monitorare il tempo.

La maggior parte delle persone ha sentito parlare del orologio atomico e presumono di sapere che cosa si è, ma pochissime persone sanno quanto siano importanti gli orologi atomici per il funzionamento delle nostre vite quotidiane nel ventunesimo secolo.

Ci sono così tante tecnologie che dipendono dagli orologi atomici e senza molti dei compiti che diamo per scontati sarebbe impossibile. Controllo del traffico aereo, navigazione satellitare e trading via internet sono solo alcune delle applicazioni che fanno affidamento sulla cronometria ultra precisa di un orologio atomico.

Esattamente quello che orologio atomico è, è spesso frainteso. In termini semplici, un orologio atomico è un dispositivo che utilizza le oscillazioni degli atomi a diversi stati energetici per contare le zecche tra i secondi. Attualmente il cesio è l'atomo preferito perché ha più di 9 miliardi di zecche al secondo e poiché queste oscillazioni non cambiano, diventa un metodo molto accurato per mantenere il tempo.

Orologi atomici, nonostante quello che molti sostengono si trovano solo nei laboratori di fisica su larga scala come NPL (UK National Physical Laboratory) e NIST (National Institute of Standards and Time). Spesso le persone suggeriscono di avere un orologio atomico che controlla la loro rete di computer o che hanno un orologio atomico sul muro. Questo non è vero e ciò a cui le persone si riferiscono è che hanno un orologio o un server orario che riceve il tempo da un orologio atomico.

Dispositivi come il NTP time server spesso ricevono segnali di orologio atomico da luoghi come NIST o NPL via radio a onde lunghe. Un altro metodo per ricevere il tempo dagli orologi atomici è l'utilizzo della rete GPS (Global Positioning System).

La rete GPS e la navigazione satellitare sono di fatto un buon esempio del perché sinconizzazione dell'orologio atomico è molto necessario con un così alto livello di precisione. I moderni orologi atomici come quelli trovati al NIST, NPL e all'interno di satelliti GPS orbitanti sono precisi in un secondo ogni 100 milioni di anni o giù di lì. Questa precisione è fondamentale quando si esamina come funziona un sistema di navigazione satellitare GPS per auto.

Un sistema GPS funziona triangolando i segnali temporali inviati da tre o più satelliti GPS separati e i loro orologi atomici integrati. Poiché questi segnali viaggiano alla velocità della luce (quasi 100,000km al secondo), un'accuratezza di anche un intero millisecondo potrebbe far uscire le informazioni di navigazione dai chilometri 100.

Questo livello elevato di accuratezza è richiesto anche per tecnologie come il controllo del traffico aereo che garantisce che i nostri cieli affollati restino al sicuro ed è addirittura fondamentale per molte transazioni su Internet come il trading di derivati ​​dove il valore può salire e scendere ogni secondo.