Добавить новость
ru24.net
News in English
Ноябрь
2024

Why timekeeping is now on the verge of a giant leap forward in accuracy

0

Time is vital to the functioning of our everyday lives: from the watches on our wrists to the GPS systems in our phones. Communication systems, power grids, and financial transactions all rely on precision timing. Seconds are the vital units of measurement in timekeeping.

Surprisingly, there is still debate over the definition of the second. But recent advances in the world’s most accurate forms of timekeeping may have just changed the game.

Accurate timekeeping has always been part of humankind’s social evolution. At the Neolithic monument of Newgrange in Ireland, a special opening above an entrance allows sunlight to illuminate the passage and chamber on the shortest days of the year, around December 21st, the winter solstice.

Some 2,300 years ago, Aristotle said that “the revolution of the outermost sphere of the heavens” should be the reference for measuring time. The Greek philosopher believed the cosmos was arranged into concentric spheres, with Earth at the centre.

Water clocks, which appeared around 2,000BC, are among the oldest instruments for measuring time. They do this by regulating the flow of water into or out of a vessel. The mechanical clock was then established in the late 19th century.

Up until 1967, a second was defined as 1/86,400 of a day, with twenty-four hours in a day, sixty minutes in an hour and 60 seconds in a minute (24 x 60 x 60 = 86,400). The International System of Units then changed things, settling for this definition:

The second… is defined by taking the… transition frequency of the caesium-133 atom, to be 9192631770 when expressed in the unit Hz, which is equal to s⁻¹ .

If you’re confused, let me elaborate. The core of this definition is something called transition frequency. A transition happens when electrons in an atom absorb energy and move to a higher energy level, returning to a relaxed state after time. It’s a bit like drinking a cup of coffee: you suddenly have more energy, until the caffeine wears off. The frequency is the expected number of times a transition occurs for a specific time period.

In every tick of the second, a specific transition of an electron of caesium-133 occurs 9192631770 times. This has become the yardstick of measuring time. To date, caesium provides the most accurate definition of the second, but it can be improved using higher frequencies.

Timekeeping was important for the stone age people who built Newgrange in Ireland. MNStudio / Shutterstock

The higher the transition frequency, the less a single misreading can derail the total accuracy. If there were fifty transitions per second, the cost in terms of the accuracy of miscounting one would be one hundred times more severe than if there were 5,000.

There are two limitations in reducing this error: the technological challenges of measuring frequencies, especially higher ones; and the need to find a system – caesium-133 atoms for the second – with a measurable high-frequency transition.

In order to measure an unknown frequency, scientists take a signal of known frequency – a reference – and combine it with the frequency they want to measure. The difference between them will be a new signal with a small frequency that’s easy to measure: the beating frequency.

Atomic clocks use this technique to measure the transition frequency of atoms so precisely that they become standards for defining the second. To achieve such precision, scientists need a reliable reference signal, that they obtain with something called a frequency comb.

A frequency comb uses lasers, beamed out in intermittent pulses. These beams contain many different waves of light, whose frequencies are equally spaced out, like the teeth of a comb – hence the name.

In atomic clocks, a frequency comb is used to transfer energy to millions of atoms simultaneously, hoping for one of the comb’s teeth to beat with the transition frequency of an atom. A frequency comb whose teeth are numerous, thin and in the right range of frequencies increases the chances this will happen. They are therefore key to achieving high precision measurements of a reference signal.

From atomic to nuclear clocks

As we’ve seen, the second is defined by electron transitions in caesium atoms. Transitions occurring with a lower frequency are easier to measure. But those that occur at a higher frequency help increase the accuracy of the measurement.

Caesium transitions occur at around the same frequency on the electromagnetic spectrum as microwaves. These microwave frequencies are lower than those of visible light. But in September 2021, scientists made measurements using the element strontium, whose transition frequency is higher than caesium and falls within the range of visible light. This opens up the possibility of re-defining the second by 2030.

In September 2024, US scientists made key advances towards building a nuclear clock – a step beyond an atomic clock. In contrast to the atomic clock, the transition measured by this new device happens in the nucleus, or core, of the atom (hence the name), which gives it an even higher frequency.

The equipment to precisely measure the energy needed to excite the thorium-229 nucleus, which is the core of a future nuclear clock. Chuankun Zhang/JILA

Thorium-229, the atom used for this study, offers a nuclear transition that can be excited by ultraviolet light. The team working on the nuclear clock overcame the technological challenge of building a frequency comb that works at the relatively high frequency range of ultraviolet light.

This was a big step forward because nuclear transitions usually only become visible at much higher frequencies – like those of gamma radiation. But we are not able to accurately measure transitions in the gamma range yet.

The thorium atom transition has a frequency roughly one million times higher than the caesium atom’s. This means that, although it has been measured with a lower accuracy than the current state-of-the-art strontium clock, it promises a new generation of clocks with much more precise definitions of the second.

Measuring time to the nineteenth decimal place, as nuclear clocks could do, would allow scientists to study very fast processes. Think of two runners tied in a photo finish. If the referee’s stopwatch had a few extra digits, they would be able to identify the winner.

Similarly, general relativity is used to study high speed processes that could lead to overlaps with quantum mechanics. A nuclear clock will give us the technology necessary for proving these theories.

On a technological level, precise positioning systems such as GPS are based on complex calculations that require fine measurements of the time required by a signal to jump from one device to a satellite and onto another device.

A better definition of the second will translate to much more accurate GPS. Time might be up for the caesium second, but a whole new world awaits beyond it.

Vittorio Aita does not work for, consult, own shares in or receive funding from any company or organisation that would benefit from this article, and has disclosed no relevant affiliations beyond their academic appointment.




Moscow.media
Частные объявления сегодня





Rss.plus



В Подмосковье росгвардейцы пришли на помощь пострадавшим в результате ДТП

В Подмосковье росгвардейцы пришли на помощь пострадавшим в результате ДТП

В Подмосковье сотрудники Росгвардии задержали гражданку, находившуюся в федеральном розыске

В Подмосковье сотрудники Росгвардии задержали гражданку, находившуюся в федеральном розыске


Хейли Бибер вышла на связь после слухов о разладе с Джастином: фото

Техник-паспортист СЛД «Сольвычегодск» Марина Созинова отмечена Благодарственным письмом от Совета женщин Сольвычегодского региона.

Уссурийский дизельный дивизион Желдорреммаш освоил новый вид продукции

Сеть клиник «Будь Здоров» запустила медицинского GPT-ассистента


The Evolution of Graphic Design: What Today’s Designers Offer

Derek Chisora unveils plan for shock career change once he’s retired from boxing – but plans dream 50TH fight first

Best Black Friday office chair and desk deals: November 28

Lucas County Dogs for Adoption: 11/28


Axenix проведет в МГУ цикл лекций по ИТ архитектуре

В Москве раскрыто убийство предпринимателя в 2001 году

На Волге...

Hybrid разработал Creative Craft — продукт для генерации креативов с помощью технологий ИИ


Suicide Squad: Kill the Justice League is $3.50 on Steam, letting you poke around one of 2024's most interesting failures for the price of a cheeseburger

Plug In Digital перевыпустит Serial Cleaner на iOS и Android

Riot is flexing its anticheat Vanguard by placing a bounty of up to $100,000 for anyone brilliant enough to find and report gaps in the system

The best-selling graphics card deals on Amazon right now, and which we recommend


Секретар Миколаївської міськради у робочий час у нетверезому стані рекламував свій бізнес


Новогодний хит! от MYAKESH Слушайте «Новогоднюю»!

Алексей Тузов для РБК Autonews:В России возник дефицит оригинальных запчастей

Алексей Тузов для Известий: Эксперт спрогнозировал рост цен на авто из-за увеличения утилизационного сбора

Time to Cashmere




В рейтинге качества жизни российских городов Ростов обвалился сразу на 17 мест

Time to Cashmere

Филиал № 4 ОСФР по Москве и Московской области информирует: Отделение СФР по Москве и Московской области оплатило свыше 243 тысяч дополнительных выходных дней по уходу за детьми с инвалидностью

Пассажиры метрополитена пообщались с чат-ботом Александрой уже более шести тысяч раз


Футболист Радимов заявил, что у ЦСКА проблемы в нападении

В Челябинске фонтан высотой в три этажа оставил жителей без воды

Мастер по работе с кожей Алексей Моторин рассказал о планах и новых экспонатах музея

В России начали действовать новые законы с 1 декабря


WTA сделала заявление об отстранении второй ракетки мира

Названо место Рыбакиной в рейтинге лидеров WTA по призовым за сезон

Кузнецова назвала Медведева одним из двух главных скандалистов ATP-тура

Джокович объяснил, почему выбрал Энди Маррея своим тренером


Что изменится в российских законах в декабре: новые правила и запреты

Названы имена победителей премии Russian Creative Awards 2024

Сколько стоит слетать из Якутска в Москву и Питер на Новый год

В России начали действовать новые законы с 1 декабря


Музыкальные новости

Продвижение Музыки. Продвижение Песен. Раскрутка Песни.

Концерт музыки ABBA и The Beatles в исполнении симфонического оркестра

Шутки Фоменко – к богатству: на «Юмор FM» вновь миллион-марафон

Большой театр покажет «Щелкунчика» в кино



Из пункта М в пункт П // «Ъ» напоминает, сколько времени уходило в разные времена на дорогу из Москвы в Петербург по воде, по земле и по воздуху

Алексей Тузов для Известий: Эксперт спрогнозировал рост цен на авто из-за увеличения утилизационного сбора

Замдиректора Росгвардии вручил медали победителям соревнований по самбо в Москве

Time to Cashmere


"С 1 декабря все станет бесплатным": "Пятерочка", "Магнит" и "Ашан" подтвердили решение

Кабинет Артиста в Яндекс. Кабинет Артиста в Яндекс Музыке. 

В Солнечногорске сотрудники Росгвардии почтили память коллег, погибших при исполнении служебного долга

Новогодний хит! от MYAKESH Слушайте «Новогоднюю»!


Как подготовить машину к зиме

Первая Снежная Битва Под Бородино

Из пункта М в пункт П // «Ъ» напоминает, сколько времени уходило в разные времена на дорогу из Москвы в Петербург по воде, по земле и по воздуху

Водитель Mitsubishi насмерть сбил женщину на севере Москвы


Путин передал часть функций по развитию фонда "Сколково" властям Москвы

Ядерный удар в ответ: Москва рассматривает новый опасный план - Sky News

Нехаммер допустил визит в Москву и Киев при снижении боевой активности

Посол ФРГ назвал основную мысль Шольца в телефонном разговоре с Путиным





«Гнев врачуется временем»: зачем разводящимся супругам нужны три месяца на примирение

Онколог напомнил москвичам о важности проходить профилактические обследования ЖКТ

Подросток попал в больницу из клуба из-за отравления неизвестным веществом

В Петербурге и Ленобласти вырос спрос на антидепрессанты на 17%


Βмecтο угля мοжeм тοпить муcοpοм – пapтия Зeлeнcκοгο пοдбaдpивaeт «гpοмaдян»


Гран-при за танец, ставший эталоном

ЦСКА и "Рубин" огласили стартовые составы на матч 17-го тура РПЛ

Красавицы из Ульяновска завоевали гран-при конкурса «Топ-модель России-2024»

ЦСКА спас ничью в матче с "Рубином" в РПЛ, благодаря голу Лукина на 96-й минуте


Промышленность Беларуси и России выходит на новый уровень взаимодействия



Собянин: Ежегодно реставрируется около 500 объектов культурного наследия

Сергей Собянин. Главное за день

Сергей Собянин объявил о начале приема заявок на архитектурную премию Москвы

Собянин рассказал о памятниках архитектуры, которые реставрируют в Москве


Состоялась внеочередная XXXI Конференция Якутского регионального отделения ЛДПР

Количество электромобилей в Москве может вырасти до 320 тыс к 2030 году

В Hybrid Platform появилась функция создания кастомных метрик

Дерево с бородой растет в амурском лесничестве


Восемь главных вопросов: что нужно знать, если вы хотите заключить договор ренты

"Победа Рами VS Синяя ковровая дорожка": Светские новости Якутии

Что изменится в российских законах в декабре: новые правила и запреты

Международный день борьбы за отмену рабства отмечают в России 2 декабря 2024 года


События Архангельской области признали лучшими в финале премии Russian Event Awards – 2024

В Архангельске определили чемпионов Поморья по настольному теннису

Школьники из Архангельской области – в числе победителей и призеров Национальной технологической олимпиады Junior

В Архангельске представили выставку «Мечта о Севере. Снегурочка»


В России массово воруют масло: за неделю заведено около 50 дел

В рейтинге качества жизни российских городов Ростов обвалился сразу на 17 мест

«Жить стало лучше, жить стало веселее». Севастополь и Симферополь - в лидерах российского рейтинга по уровню жизни в 2024 году

Названы ТОП 10 городов России по качеству жизни


"Этноцентризм" и отечественная история: Некоторые размышления по поводу доклада проф. Д. Мухетдинова

В России учреждены премии в области детской литературы

Вешенка, дрожалка, булгария: какие грибы можно встретить в Москве зимой

Прямая трансляция матча "Барыса" с ЦСКА в КХЛ












Спорт в России и мире

Новости спорта


Новости тенниса
ATP

Кузнецова назвала Медведева одним из двух главных скандалистов ATP-тура






В России учреждены премии в области детской литературы

Вешенка, дрожалка, булгария: какие грибы можно встретить в Москве зимой

Футболист Радимов заявил, что у ЦСКА проблемы в нападении

"Победа Рами VS Синяя ковровая дорожка": Светские новости Якутии