Fysikvärlden blev en del av en tizz i denna månad som forskare vid CERN, European Laboratory for Particle Physics, fann en anomali på ett av sina experiment, vilket tycktes visa att vissa partiklar reser snabbare än ljus.

Tidsserver kan ge noggrannhet i atomur

Snabbare än ljusresor för någon partikel är naturligtvis förbjudet enligt Einsteins speciella relativitetsteori, men OPERA-teamet hos CERN, som avfyrade neutrinoer runt en partikelaccelerator, som reser för 730 km, fann att neutrinerna reste avståndet 20-delar per miljoner snabbare än foton (ljuspartiklar) vilket innebär att de bröt Einsteins hastighetsgräns.

Även om detta experiment kan visa sig vara en av de viktigaste upptäckterna i fysiken, är fysikerna fortfarande skeptiska, vilket tyder på att en orsak kan vara ett fel som genereras i svårigheterna och komplexiteten att mäta sådana höga hastigheter och avstånd.

Teamet på CERN använde GPS-tid-servrar, bärbara atomur och GPS-positionssystem för att göra sina beräkningar, vilka alla gav precision i avstånd till inom 20cm och en noggrannhet i tiden till inom 10 nanosekunder. Anläggningen är dock underjordisk och GPS-signalerna och andra dataströmmar måste kapas ner till försöket, en latens som teamet är övertygade om att de tog hänsyn till under deras beräkningar.

Fysiker från andra organisationer försöker nu att upprepa experimenten för att se om de får samma resultat. Oavsett utfallet är denna typ av banbrytande forskning endast möjlig tack vare noggrannheten hos atomur som kan mäta tiden till miljoner av sekunden.

För att synkronisera ett datanätverk till en atomur behöver du inte ha tillgång till ett fysiklaboratorium som CERN så enkelt NTP-tidsservrar som galleoner NTS 6001 kommer att få en exakt källa till klockan och behålla all maskinvara på ett nätverk till inom några millisekunder av det.

De flesta av oss tror att vi vet vad tiden är. Vid en blick av våra armbandsur eller väggklockor, vi kan berätta vilken tid det är. Vi tror också att vi har en ganska bra uppfattning om hur snabbt tiden går framåt, en sekund, en minut, en timme eller en dag är ganska väldefinierade; Dessa tidsenheter är dock helt konstgjorda och är inte lika konstanta som vi kanske tror.

Tiden är ett abstrakt begrepp, medan vi kanske tror att det är detsamma för alla, påverkas tiden av dess interaktion med universum. Gravitet, till exempel, som Einstein observerat, har förmågan att förskjuta rymdtid som förändrar hastigheten i vilken tid som passerar och medan vi alla bor på samma planet under samma gravitationskrafter finns det subtila skillnader i hastigheten där tiden går.

Med hjälp av atomur kan forskare fastställa vilken effekt jordens gravitation har i tid. Den höga havsnivån är en atomur placerad, desto snabbare går det. Medan dessa skillnader är små visar dessa experiment klart att Einsteins postuleringar var korrekta.

Atomklockor har använts för att visa några av Einsteins övriga teorier om tid också. I hans relativitetsteorier hävdade Einstein att hastigheten är en annan faktor som påverkar hastigheten när som helst passerar. Genom att placera atomklockor på orbiting rymdskepp eller flygplan som färdas i snabb takt, varierar tiden som mäts av dessa klockor till klockor vänster statiska på jorden, en annan indikation på att Einstein hade rätt.

Före atomklockor var mätningstiden till sådana grader av noggrannhet omöjlig, men efter deras uppfinning i 1950-s, har inte Einsteins postuleringar visat sig rätt, men vi har också upptäckt några andra ovanliga aspekter på hur vi betraktar tiden.

Medan de flesta av oss tänker på en dag som 24-timmar, med varje dag lika långa, har atomklockor visat att varje dag varierar. Dessutom, atomur har också visat att jordens rotation gradvis saktar ner, vilket innebär att dagarna blir långsamt längre.

På grund av dessa förändringar i tid behöver världens globala tidsplan, UTC (Coordinated Universal Time) enstaka justeringar. Var sjätte månad eller så läggs steg sekunder för att säkerställa UTC-körningar i samma takt som en jorddag, som står för den gradvisa nedbromsningen av planetens spinn.

För tekniker som kräver höga noggrannhet redovisas dessa regelbundna tidsjusteringar av protokollet NTP (Network Time Protocol) så att ett datanätverk använder en NTP tidsserver är alltid hållet sant i UTC.

Atomen är inte en ny uppfinning. Utvecklat i 1950: s, den traditionella cesiumbaserade atomur har gett oss rätt tid i ett halvt sekel.

De cesium atomur har blivit grunden för vår tid - bokstavligen. De Internationellt system av enheter (SI) definierar en sekund som ett visst antal oscillationer av atomen cesium och atomklockor styr många av de teknologier som vi lever med en daglig användning: Internet, satellitnavigering, flygkontroll och trafikljus för att namnge men några.

Den senaste utvecklingen i optiska kväveklockor som använder enskilda atomer av metaller som aluminium eller strontium är dock tusentals gånger mer exakta än traditionella atomur. För att uttrycka detta i perspektiv kan den bästa cesiumatomklockan som används av institut som NIST (National Institute for Standards and Time) eller NPL (National Physical Laboratory) att styra världens globala tidsplan UTC (Coordinated Universal Time), är korrekt inom en sekund varje 100 miljoner år. Dessa nya kvadratiska optiska klockor är emellertid noggranna till en sekund varje 3.4 miljarder år - nästan lika länge som jorden är gammal.

För de flesta är deras enda möte med en atomur att få sin tidssignal är a nätverk tidsserver or NTP-enhet (Network Time Protocol) i syfte att synkronisera enheter och nätverk och dessa atomur-signaler genereras med användning av cesiumklokker.

Och tills världens forskare kan komma överens om en enda atom för att ersätta cesium och en enda klockdesign för att hålla UTC, kommer ingen av oss att kunna utnyttja denna otroliga noggrannhet.

Atomur är de mest korrekta chronometrarna vi har. De är miljontals gånger mer exakta än digitala klockor och kan hålla tid i hundratals miljoner år utan att förlora så mycket som en sekund. Deras användning har revolutionerat hur vi lever och arbetar och de har möjliggjort teknologier som satellitnavigationssystem och global onlinehandel.

Men hur fungerar de? Konstigt nog arbetar atomklockor på samma sätt som vanliga mekaniska klockor. Men snarare än att ha en spiralfjäder och massa eller pendel använder de oscillationerna av atomer. Atomklockor är inte radioaktiva eftersom de inte är beroende av atomavfall istället förlitar de sig på de små vibrationerna vid vissa energinivåer (oscillationer) mellan en atoms och kärnans elektroners kärna.

När atomen mottar mikrovågsenergi vid exakt den rätta frekvensen, ändras energitillståndet, det här tillståndet är konstant oförändrat och oscillationerna kan mätas precis som en fästning i en mekanisk klocka. Men medan mekaniska klockor kryssar varje sekund, atomur "tick" flera miljarder gånger i sekund. När det gäller cesiumatomer, som oftast används i atomur, tickar de 9,192,631,770 per sekund - vilket är nu den officiella definitionen av en sekund.

Atomklockor styr nu hela det globala samhället som en universell tidsplan UTC (Coordinated Universal Time) baserat på atomur tid har utvecklats för att säkerställa synkronisering. UTC atomklocka signaler kan tas emot av tidtidsservrar i nätverket, ofta kallad NTP-servrar, som kan synkronisera datornätverk inom några millisekunder av UTC.

Från armbandsur till atomklockor och NTP-tidsservrar, förståelse av tid har blivit avgörande för många moderna teknologier som satellitnavigering och global kommunikation.

Från tidens utvidgning till tyngdkraftseffekter i tid har tiden många konstiga och underbara fasetter som forskare bara börjar förstå och utnyttja. Här är några intressanta, konstiga och ovanliga fakta om tiden:

• Tiden är inte skild från rymden, men tiden förklarar vad Einstein kallade fyra dimensionell rymdtid. Rymdtid kan förvrängas av tyngdkraften, vilket innebär att tiden saktar ner desto större gravitationspåverkan. Tack vare atomur, tiden på jorden kan mätas vid varje efterföljande tum ovanför jordens yta. Det betyder att varje kropps fötter är yngre än huvudet när tiden går långsammare, desto lägre är marken du får.

• Tid påverkas också av hastighet. Den enda konstanten i universum är ljusets hastighet (i vakuum) som alltid är densamma. På grund av Einstins berömda relativitetsteorier som helst som reser nära ljusets hastighet skulle en resa till en observatör som hade tagit tusentals år gått inom några sekunder. Detta kallas tidsutvidgning.

• Det finns inget i modern fysik som förbjuder tidsresor både framåt och bakåt i tiden.

• Det finns 86400 sekunder på en dag, 600,000 på en vecka, mer än 2.6 miljoner i en månad och mer än 31 miljoner på ett år. Om du bor för att vara 70 år gammal så har du levt genom 5.5 miljarder sekunder.

• En nanosekund är en miljard sekund eller ungefär den tid det tar för lätt att resa runt 1-foten (30 cm).

• En dag är aldrig 24 timmar lång. Jordens rotation snabbar uppåt, vilket innebär att den globala tidsskala UTC (koordinerad universell tid) måste ha språng sekunder som läggs en eller två gånger per år. Dessa språng sekunder redovisas automatiskt i någon klocksynkronisering som använder NTP (Network Time Protocol) som a dedikerad NTP tidsserver.

Efter framgången av danska forskare som arbetar i samband med NIST (National Institute for Standards and Time), som avslöjade världens mest exakta atomur tidigare i år; Tyska forskare har gått in i tävlingen för att bygga världens mest exakta tidpunkt.

Forskare vid Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) i Tyskland använder sig av nya metoder för spektroskopi för att undersöka atom- och molekylära system och hoppas kunna utveckla en klocka baserad kring en enda aluminiumatom.

bro atomur används för satellitnavigering (GPS), som referenser för datornätverk NTP-servrar och flygkontroll har traditionellt varit baserad på atomen cesium. Den nästa generationen av atomklockor, som den som avslöjades av NIST, som påstås vara exakt inom en sekund varje 300 miljoner år, använder emellertid atomerna från andra material, såsom strontium, som forskare hävdar kan vara potentiellt mer exakta än cesium .

Forskare vid PTB har valt att använda enskilda aluminiumatomer och tror att de är på väg att utveckla den mest exakta klockan någonsin och tro att det finns stor potential för en sådan enhet för att hjälpa oss att förstå några av de mer komplicerade aspekterna av fysiken.

Den nuvarande växtklockan tillåter tekniker som satellitnavigering, flygkontroll och nätverkssynkronisering med hjälp av NTP-servrar men man tror att ökad noggrannhet för nästa generation atomklockor kan användas för att avslöja några av de mer gåtfulla kvaliteterna av kvantvetenskap som strängteori.

Forskare hävdar att de nya klockorna kommer att ge sådan noggrannhet att de även kommer att kunna mäta minutskillnaderna i tyngdkraften till inom varje centimeter över havsnivån.

Kärnvapen, datorer, GPS, atomur och koldatering - det finns mycket mer atomer än du tror.

Sedan början av 1900-talet har mänskligheten varit besatt av atomer och minutier i vårt universum. Mycket av första delen av förra seklet blev mänskligheten besatt av att utnyttja atomens dolda makt, avslöjad för oss av Albert Einsteins arbete och slutförd av Robert Oppenheimer.

Det har emellertid varit mycket mer för vår utforskning av atomen än bara vapen. Studier av atomer (kvantmekanik) har varit utgångspunkten för de flesta av våra moderna teknologier som datorer och Internet. Det ligger också i framkanten av kronologin - tidens mätning.

Atomen spelar en nyckelroll i både tidsåtgång och tidsprognos. Atomklockan, som används över hela världen av datanätverk som använder NTP-servrar och andra tekniska system som flygkontroll och satellitnavigering.

Atomur arbeta genom att övervaka de extremt högfrekventa svängningarna hos enskilda atomer (traditionellt cesium) som aldrig förändras vid vissa energitillstånd. Eftersom cesiumatomer resonerar över en 9 miljarder gånger varje sekund och ändrar aldrig den sin frekvens gör den m mycket exakt (förlorar mindre än en sekund varje 100 miljoner år)

Men atomer kan också användas för att träna inte bara exakt och exakt tid, men de kan också användas för att fastställa åldern för objekt. Carbon dating är namnet på denna metod som mäter det naturliga förfallet av kolatomer. Vi alla består främst av koldioxid och som andra ämnen koldioxid "sönderfall" över tiden där atomerna förlorar energi genom att avge joniserande partiklar och strålning.

I vissa atomer som uran händer detta mycket snabbt, men andra atomer som järn är mycket stabila och sönderfall mycket, mycket långsamt. Kol, medan det försvinner snabbare än järn är fortfarande långsamt för att förlora energi men energiförlusten är exakt över tiden, så genom att analysera kolatomer och mäta styrkan kan det noggrant fastställas när kolet ursprungligen bildades.

Atomklockor har varit ett stort inflytande på våra moderna liv med många av de teknologier som har revolutionerat hur vi lever våra liv med utgångspunkt i deras ultimata precisa tidsförmåga.

Atomklockor skiljer sig långt från andra kronometrar; en normal klocka eller klocka kommer att hålla tiden ganska noggrant men kommer att förlora två eller två varje dag. En atomur å andra sidan kommer inte att förlora en sekund i miljoner år.

Faktum är att det är rättvist att säga att en atomur inte mäter tid men är grunden till att vi baserar våra perceptioner av tiden på. Låt mig förklara, tid, som Einstein påvisade, är relativ och den enda konstanten i universum är ljusets hastighet (även om det är ett vakuum).

Mätningstiden med någon riktig precision är därför svår eftersom även gravitationen på jorden skjuts upp tiden, saktar den ner. Det är också nästan omöjligt att basera tiden på någon referenspunkt. Historiskt har vi alltid använt jordens revolution och hänvisning till de himmelska kropparna som grund för vår tidsförklaring (24 timmar på en dag = en jordens rotation, 365 dagar = en rotation runt jorden runt solen osv.).

Tyvärr är jordens rotation inte en exakt referensram för att basera vår tid på att fortsätta. Jorden sakta ner och snabbare upp i sin revolution, vilket innebär att vissa dagar är längre än andra.

Atomur använde emellertid resonansen hos atomer (normalt cesium) vid särskilda energitillstånd. Eftersom dessa atomer vibrerar vid exakta frekvenser (eller exakt antal gånger) kan detta användas som underlag för att berätta tid. Så efter atomklockans utveckling har den andra definierats som över 9-miljardresonans "ticks" av cesiumatomen.

Den atomklockans ultimata precision utgör grunden för teknik som satellitnavigering (GPS), flygkontroll och internethandel. Det är möjligt att använda atomklockans exakta natur för att synkronisera datornätverk. Allt som behövs är a NTP tidsserver (Network Time Protocol).
NTP-servrar ta emot tiden från atomklockor via en sändningssignal eller GPS-nätverket, fördelar de sedan under ett nätverk så att alla enheter har exakt samma, ultimata exakta tid.

De kronologiska pionjärerna på NIST har samarbetat med University of Colorado och har utvecklat världens mest exakta atomur till dags dato. Den strontiumbaserade klockan är nästan dubbelt så exakt som dagens cesiumklor används för att styra UTC (Coordinated Universal Time), eftersom det förlorar bara en sekund varje 300 miljoner år.

Strontiumbaserad atomur ses nu som vägen framåt i tidsåtgången, eftersom högre nivåer av noggrannhet är uppnåeliga som bara inte är möjliga med cesiumatomen. Strontiumklockor, som deras föregångare, arbetar genom att utnyttja den naturliga, men högt konsekventa vibrationen av atomer.

Men dessa nya generationer av klockor använder laserstrålar och extremt låga temperaturer nära absolut noll för att styra atomerna och det hoppas att det är ett steg framåt för att skapa en perfekt precis klocka.

Denna extrema noggrannhet kan verka som ett steg för långt och onödigt men användningen av sådan precision är många gånger och när man överväger den teknik som har utvecklats som bygger på den första generationens atomur som GPS-navigering, NTP-server synkronisering och digital sändning kan en ny värld av spännande teknik baserad på dessa nya klockor bara vara runt hörnet.

Medan för närvarande är världens globala tidsskala, UTC, baserad på tiden som berättas av en konstellation av cesiumklockor (och för övrigt är det också definitionen av en sekund som strax över 9 miljarder cesium ticks), menar att när den rådgivande kommittén för Tid och frekvens vid presidiet International des Poids et Mesures (BIPM) Nästa möter det kommer att diskutera om man ska göra nästa generations av atomur den nya standarden.

Strontiumklockor är emellertid inte den enda metoden för mycket exakt tid. Förra året utvecklades en kvantklocka också vid NIST-styrd noggrannhet av 1 andra i 1 miljarder år. Dock kan denna typ av klocka inte övervakas direkt och kräver ett mer komplext schema för att övervaka tiden.

De flesta har vagt hört talas om atomklocka och antar att de vet vad man men men väldigt få människor vet hur viktigt atomklockor är för att köra vår dagliga liv i det tjugoförsta århundradet.

Det finns så många tekniker som är beroende av atomur och utan många av de uppgifter vi tar för givet skulle det vara omöjligt. Flygledningskontroll, satellitnavigering och internethandel är bara några av de applikationer som är beroende av den extremt exakta kronometri av en atomur.

Exakt vilken an atomklocka är, är ofta missförstådd. I enkla termer är en atomur en enhet som använder oscillationer av atomer vid olika energitillstånd för att räkna ticks mellan sekunder. För närvarande är cesium den föredragna atomen eftersom den har över 9 miljarder ticks varje sekund och eftersom dessa svängningar aldrig förändras gör det dem en mycket korrekt metod att hålla tid.

Atomklockor trots vad många hävdar finns bara någonsin i storskaliga fysiklaboratorier som NPL (UK National Physical Laboratory) och NIST (US National Institute of Standards and Time). Ofta föreslår människor att de har en atomur som styr deras datanätverk eller att de har en atomur på sin vägg. Detta är inte sant och vad folk hänvisar till är att de har en klocka eller tidsserver som tar emot tiden från en atomur.

Enheter som NTP tidsserver mottar ofta atomvågssignaler från platser som NIST eller NPL via långvågradio. En annan metod för att ta emot tid från klockor använder GPS-nätverket (Global Positioning System).

GPS-nätverket och satellitnavigering är i själva verket ett bra exempel på varför atomklockans synkronisering behövs med så hög noggrannhet. Moderna atomklockor som de som hittas vid NIST, NPL och inuti bana GPS-satelliter är korrekta inom en sekund varje 100 miljoner år eller så. Denna noggrannhet är avgörande när du undersöker hur något som en bil GPS satellitnavigeringssystem fungerar.

Ett GPS-system arbetar genom att triangulera tidssignalerna som skickas från tre eller flera separata GPS-satelliter och deras atomklockor ombord. Eftersom dessa signaler reser med ljusets hastighet (nästan 100,000KM en sekund) kan en oriktighet på en enda millisekund sätta navigationsinformationen ut med 100 kilometer.

Denna höga noggrannhet är också nödvändig för tekniker som flygkontroll, vilket gör att våra trånga himlen är säkra och är även kritiska för många internettransaktioner som handel med derivat där värdet kan stiga och minska varje sekund.