埃森的时钟

1972年,吉姆Croce达到1号在美国音乐排行榜,唱“如果我能把时间存入一个瓶子…”一年之后他在飞机失事中丧生。在悲剧的时候一些转向宗教寻求安慰。对我们其余的人来说,第二定律是小帮助平息我们的不安在时间的无情的通道。

量化时间一直是中央关心科学,从古老的水钟约翰•哈里森的非凡的天文钟,导航是一次危险的赌博变成盈利的业务。天文学家计时也是一个核心问题,他们校准时钟所谓稳定的地球和月球的运动对固定的恒星。

压电效应的发现皮埃尔·居里迎来了一个新时代:一套石英晶体振荡的电场可以为电路提供一个稳定的节拍,提供一个新的方法来计时。

在此背景下,路易斯·埃森市,一个害羞的物理毕业于诺丁汉,英国加入了国家物理实验室(不良贷款)1929年在特丁顿。他工作在大卫染料,开创性的使用示波器对电路进行调查。染料组埃森致力于石英晶体不同的几何图形。振动棒,埃森市进行的一种变体迈克耳孙-莫雷实验在此基础上,通过旋转水晶可能会看到一个频率的变化由于地球的运动通过醚。小心翼翼的在他的作品中,埃森看到没有区别在一个参与10¹¹。

他把他的注意力转移到一个想法的染料:通过削减水晶戒指,暂停它由六个丝线可以设置成站在振动与六个节点。小型化和精制,Dye-Essen环将标志着时间几乎在每一个手表,广播和其他电子产品几十年了。但是仍有改进的余地。

在1933年,伊西多尔拉比延长了施特恩-格拉赫实验(发现电子自旋)确定小得多的钠原子核的磁矩。拉比,他的研究生,维克多·科恩的原子束穿过三个区域。原子是由一个非均匀磁场中偏转第一区域,选择在一个单一的原子自旋状态;在第二个区域,选中的原子通过旅行腔均匀磁场;第三,他们到达探测器通过另一个非均匀磁场。通过应用腔射频(rf)字段和调优它原子的自旋频率,原子将改变自旋状态,不再检测。拉比发明了磁共振,他将于1944年获得诺贝尔奖。

1945年,拉比了一个讲座,他建议共振法可以用来建立一个计时员基于绝对的原子属性而不是任意的天文观测。在华盛顿的美国国家标准局,各种方法都试过了,包括使用氨的振动,但当项目未能结出果实是废弃的。

埃森了解了失败的实验在1950年访问华盛顿。他回到英国相信他可以建立一个更好的时钟由拉比的原子束方法结合自己的石英计时员。他选择铯是因为其单电子和原子核之间的超精细耦合给一双方便地分离自旋态与长寿命。他挤拉比的一个版本的设备疏散1.5管,改善诺曼·拉姆齐的u型微波腔提供两个激发区域,因此更窄的信号。探测器已经连接到一个时钟由埃森市的一个石英戒指,保持精确的时间连接到射频领域的反馈回路。任何环的节奏放缓将把射频磁场共振,造成检测信号的变化,并自动触发的校正。他的第一个时钟保持时间在一秒内300年;埃森很兴奋,他拖着的主任不良贷款“见证原子时的诞生”。

一旦引用格林威治天文台的天文标准,不良贷款时钟成为世界标准时间校准。埃森和他的同事们不断开发更精确的时钟,首先通过延长管,然后通过冷却铯。国际度量衡局最终定义第二个和,反过来,铯的米过渡频率。

提供的原子钟的手段揭示地球自转的微妙之处。它还提供精致的测试爱因斯坦的广义相对论,而具有讽刺意味的是,埃森从未接受。但时钟的影响更深。到达的分组交换协议通信、精确的时钟成为了重要的和更复杂的时钟使全球定位卫星和大数据采集,科学已经变得如此重要。抓住时间,埃森真正让精灵放出魔瓶的。

确认

迈克尔·德·波德斯塔和彼得Whibberley提供至关重要的见解和修正。

安德里亚·萨拉(@Sellathechemist)化学教授伦敦大学学院、英国