iPon Hírek

Újfajta atomóra definiálhatja újra a kilogrammot

Dátum | 2013. 01. 14.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

Egy újfajta óra atomok tömegének mérése révén követi az idő múlását, és bár a jelenlegi legpontosabb atomórákhoz képest meglehetősen pontatlan szerkezetnek bizonyul, a technológia a tömeg és az idő összekapcsolása révén a kilogramm kvantummechanikai alapokon történő meghatározásához vezethet. A világ legpontosabb atomórái a cézium 133-as tömegszámú izotópjának úgynevezett hiperfinom átmeneti rezgési periódusidején alapulnak, amely révén meghatározzák a másodperc hosszát: ez 1967 óta hivatalosan az említett periódusidő a 9 192 613 770-szerese.

A Berkeley kutatói úgy vélik, hogy másképp is lehetne mérni az időt atomok révén. A kvantummechanika elmélete értelmében minden részecske, legyen az foton, elektron vagy atom, viselkedését egy differenciálegyenlet megoldásai írják le. Az egyenlet megoldásai hullámfüggvények lesznek, amelyek leírják annak a valószínűségét, hogy a részecskét a tér egy adott pontjában találjuk. Minél nagyobb tömegű egy atom, annál magasabb az őt leíró hullám frekvenciája, az úgynevezett Compton-frekvencia, ami tehát összefügg a vizsgált részecske tömegével is, magyarázza Holger Müller, a kutatás vezetője.

Elviekben tehát meg lehetne építeni egy olyan órát, amely az adott atom Compton-frekvenciáján alapul. A problémát az okozza, hogy egy atom esetében ez olyan magas, hogy hagyományos eszközökkel gyakorlatilag mérhetetlen. Ennek megoldása érdekében az úgynevezett ikerparadoxonhoz fordultak a kutatók, amely speciális relativitáselmélet egy érdekes következménye. A jelenség klasszikus megfogalmazása szerint, ha egy ikerpár egyik tagja egy közel fénysebességgel haladó űrhajóban űrutazásra indul, míg a testvére a Földön marad, az űrhajós iker visszatérésekor azt tapasztalja, hogy míg számára csak rövid idő telt el, testvére megöregedett, esetleg meg is halt. Másképp megfogalmazva: ha két megfigyelő összehangolt órákkal ugyanabból a pontból indulva különböző sebességű mozgást végez, akkor következő találkozásukkor az óráik nem feltétlenül fogják ugyanazt mutatni. Az eltérés hétköznapi sebességeknél alig kimutatható, de a fénysebességhez közeledve jelentőssé válik.

A kilogramm etalonja
Müller és kollégái atomi szinten valósították meg az ikerparadoxont: egy cézium atom anyaghullámát egy atom interferométeren keresztülküldve két részre bontották azt, majd különböző sebességgel küldték tovább, végül egyesítve a részeket. A keletkező frekvenciaeltérést mérve, amely szintén az atom tömegének függvénye, egy egyetlen atomon alapuló órát kaptak eredményül. A létrehozott időmérő rendszer nagyjából egy másodpercet veszít nyolc év alatt, így a hagyományos atomórákhoz képest nagyon pontatlannak számít. (Ezek legpontosabbjai még mindig csak négy másodpercet tévednének, ha az ősrobbanás pillanatában kezdték volna meg működésüket.) Óraként tehát nem túl jó az eszköz, mérlegként viszont forradalmi változásokat hozhat.

A tömeg alapegysége, a kilogramm az egyetlen SI alapegység, amelynek a definíciója még mindig etalonon, és nem valamilyen alapvető fizikai állandón alapszik. Az eredeti definíció szerint egy kilogramm egy köbdeciméter víz tömege a legnagyobb sűrűségű állapotban, 3,98 °C-on és normál légköri nyomáson. Mivel azonban a víz sűrűsége kis mértékben függ a légnyomástól, a nyomás pedig többek között a tömegből származtatott SI egység, ez a meghatározás körkörös, így 1889-ben, a párizsi 1. Általános Súly- és Mértékügyi Konferencián a kilogrammot egy nemzetközi etalon, a Sevres-i Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatalban őrzött, platina-irídium ötvözetből készült, 39 mm magasságú és átmérőjű henger (a „Le Grande Kilo”) tömegeként definiálták, amelynek hat hivatalos másolata is létezik. Az etalonról az egyes országok számára másolatokat készítenek, ezek a nemzeti etalonok, amelyeket körülbelül 10 évente újra összehasonlítanak a nemzetközi etalonnal. A kilogramm etalonjával azonban egyre több probléma akad, mivel a rárakódó szennyeződések hatására „hízik”, tisztítását pedig meglehetősen problémás úgy megoldani, hogy valóban csak a szennyeződés tűnjön el a felületről, az etalon anyaga viszont ne.

Évek óta dolgoznak azon a kutatók, hogy valamilyen más meghatározással váltsák ki a franciaországi fémtömböt. Az egyik lehetőségként a kilogrammot adott számú szilícium-atom tömegeként definiálnák, másik opcióként pedig az amper, a volt, az ohm és a Planck-állandó összekapcsolása révén határoznák meg a kilogrammot.

A Compton-óra lehet a harmadik alternatíva: az atom Compton-frekvenciája, a Planck-állandó és a fénysebesség révén eddig példátlan pontossággal határoznák meg a cézium-atom tömegét, majd ennek segítségével más atomok tömegét is. Ilyen módon bármilyen elem esetében meghatározható lehetne, hogy hány atom tesz ki egy kilogrammot. A módszer kilogramm meghatározása során megnyilvánuló pontossága (harminc a milliárdhoz) pedig abszolút versenyképes az eddig felmerült más opciókéval, mondja Müller.

Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

3. zord01
2013.01.14. 20:03
Állat jó ez a cikk, kicsinek tök sokat olvastam a témában. Mármint a spec.relativitás elmélet témájában, de pár kvantumfizika könyvben arról is olvastam, hogyan definiálták újra a méter hosszát a fény sebességével, ill fényhullámhosszal, vagy akár atomi sugárzásokkal.

Amúgy az hiszem az ikerparadoxon kicsiben (rohadt kicsiben) már a műholdakon is jelentkezik, feltéve, ha az adott műhold kellő ideig kering a maga 30.000 kmph-s sebességével.

Jó cikk, szeretem az ilyen írásokat.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. prohlep
2013.01.14. 21:57
Ikerparadoxon egy értékes jelenség. Néhány éve egy matematikus konferencián mutatták be azt a, matematikusok által elért fizika megalapozási alapkutatási eredményt, hogy éppen az ikerparadoxon segítségével definiálható a fizikában oly fontos inercia rendszer fogalma, amelyhez alapvető az inerciális mozgás fogalma.

Egy pont inerciális mozgást végez a téridőben, ha a téridőbeli nyomvonalának bármely kis perturbációjához képest ezen nyovonalon legnagyobb az öregedés a sajátidőben.

Slamposan: egyenesvonalú és egyenletes mozgás közben öregszünk a leggyorsabban.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2013.01.16. 01:50
prohlep Furán kellemes érzés tőled ilyesmit olvasni.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!