Ads Top


Jam Atom Optik, Pembuktian Teori Relativitas Umum Einstein

Teori relativitas umum menggantikan hukum gravitasi Newton. Teori ini menggunakan matematika geometri diferensial dan tensor untuk menjelaskan gravitasi. Teori ini memiliki bentuk yang sama bagi seluruh pengamat, baik bagi pengamat yang bergerak dalam kerangka acuan lembam ataupun bagi pengamat yang bergerak dalam kerangka acuan yang dipercepat. Dalam relativitas umum, gravitasi bukan lagi sebuah gaya (seperti dalam Hukum gravitasi Newton) tetapi merupakan konsekuensi dari kelengkungan (curvature) ruang-waktu. Relativitas umum menunjukkan bahwa kelengkungan ruang-waktu ini terjadi akibat kehadiran massa. Albert Einstein mengatakan bahwa jam berjalan jauh lebih lambat disaat berada pada potensi kuat gravitasi massa - semakin dekat mereka ke sumbernya, misalnya. Efek ini dijelaskan oleh Teori Relativitas Umum  sebagai pergeseran gravitasi merah - hal tersebut dapat terdeteksi di garis spektrum yang bergeser ke arah ujung merah spektrum. Teori Relativitas Umum juga memprediksi bahwa laju keseluruhan waktu sama-sama dipengaruhi oleh gravitasi independen tentang bagaimana waktu tersebut terekonstruksi secara fisik ataupun teknis. Namun, teori yang lebih baru dari gravitasi memungkinkan untuk kemungkinan bahwa jenis waktu memang mempengaruhi tingkat pergeseran gravitasi merah. Untuk menguji teori dari sebuah teori, para ilmuwan telah meluncurkan penelitian roket pada ketinggian tinggi untuk mengirim berbagai jenis jam atom optik ke ruang angkasa dan kembali lagi.

Untuk menguji teori dari sebuah teori, proyek FOKUS didanai oleh German Aerospace Centre (DLR) hari ini meluncurkan penelitian roket ketinggian tinggi untuk mengirim berbagai jenis jam ke ruang angkasa dan kembali lagi. Tim ilmuwan meluncurkan sebuah osilator kuarsa sangat stabil ke ruang angkasa yang berdetik seperti jam tangan yang modern - tetapi pada frekuensi yang sangat tinggi - bersama-sama dengan sistem laser yang lengkap untuk tujuan perbandingan. Mereka menyebutnya jam atom karena tingkat keakurasiannya yang sangat tepat.Kondisi percobaan yang paling cocok karena gradien besar di potensial gravitasi (gravitasi bervariasi ada banyak). Hal ini memungkinkan pengujian apakah benar-benar ada perbedaan dalam cara jam berjalan di dekat atau jauhnya dengan sumber gravitasi.




Inti dari sistem laser adalah modul semikonduktor mikro terpadu yang dikembangkan dan diuji oleh Ferdinand Braun--Institut, Leibniz-Institut für Hoch-stfrequenztechnik (FBH) di Berlin. Integrasi seluruh sistem laser berlangsung di Humboldt-Universität zu Berlin (HU Berlin). Frekuensi laser semikonduktor yang distabilkan dengan cara menguncinya pada transisi elektron tertentu dari atom rubidium di modul canggih yang dikembangkan oleh Universität Hamburg. Atom rubidium tersebut dalam hubungannya dengan laser memberikan jam atom optik yang bekerja menurut prinsip fisika yang berbeda bahwa jam dan detiknya memiliki sekitar sepuluh juta kali lebih tepat dari jam tangan umum. Untuk membandingkan bagaimana dua jam berjalan, perusahaan menjalankan proyek, Menlo Systems, menggunakan frekuensi sisir optik yang mereka kembangkan.

Jam Atom Optik Memiliki Keakurasian Tinggi


Jam atom adalah jam perangkat yang menggunakan frekuensi transisi elektronik dalam microwave, optik, atau wilayah ultraviolet dari spektrum elektromagnetik atom sebagai standar frekuensi untuk elemen ketepatan waktu nya. Jam atom adalah waktu dan frekuensi standar yang dikenal paling akurat, dan digunakan sebagai standar utama untuk layanan distribusi waktu internasional, untuk mengontrol frekuensi gelombang siaran televisi, dan dalam sistem navigasi satelit global seperti GPS.

Prinsip operasi dari jam atom tidak didasarkan pada fisika nuklir, tetapi lebih pada fisika atom; menggunakan sinyal microwave bahwa elektron dalam atom memancark ketika mereka mengubah tingkat energi. Jam atom awal didasarkan pada maser pada suhu kamar. Saat ini, jam atom paling akurat pertama mendinginkan atom mendekati suhu nol mutlak dengan memperlambat mereka dengan laser dan menyelidik mereka di air mancur atom dalam rongga microwave penuh. Contoh dari ini adalah jam atom NIST-F1, salah satu standar waktu primer dan frekuensi nasional AS.
Sebuah maser (/ meɪzər /), singkatan dari "microwave amplifikasi dengan menstimulasi emisi radiasi", yaitu perangkat yang menghasilkan gelombang elektromagnetik yang koheren melalui amplifikasi dengan menstimulasi emisi. Maser pertama dibangun oleh Charles H. Townes, James P. Gordon, dan HJ Zeiger di Columbia University pada tahun 1953.

Ketepatan jam atom tergantung pada dua faktor. Faktor pertama adalah suhu dari sampel atom-atom dingin yang bergerak jauh lebih lambat, memungkinkan pemeriksaan lebih lama. Faktor kedua adalah frekuensi dan lebar intrinsik transisi elektronik. Frekuensi yang lebih tinggi dan garis sempit yang meningkatkan presisi.

Lembaga standar nasional di banyak negara mempertahankan jaringan jam atom yang intercompared dan terus disinkronkan dengan akurasi 10-9 detik per hari (sekitar 1 bagian dalam 1014). Jam ini secara kolektif menentukan skala waktu kontinu dan stabil, Waktu Atom Internasional (TAI). Untuk waktu sipil, skala waktu lainnya digunakan, Coordinated Universal Time (UTC). UTC diturunkan dari TAI, tetapi disinkronisasikan dengan sekitar, dengan menggunakan detik kabisat, untuk UT1, yang didasarkan pada rotasi yang sebenarnya dari bumi sehubungan dengan waktu surya.

Jam Atom Optik Rubidium


Para ilmuwan menunjukkan dengan tes untuk pertama kalinya bahwa jenis jam atom optik dan sistem laser yang diperlukan mereka dapat digunakan dalam ruang angkasa untuk menguji pergeseran gravitasi merah dan pengukuran presisi lainnya. Menuntut adanya demonstrasi teknologi yang juga memungkinkan mereka untuk meletakkan dasar teknis untuk menguji prinsip kesetaraan Einstein dengan menggunakan potasium dan rubidium interferometer atom di bawah proyek Maius. Maius adalah bagian dari misi Quantus didanai oleh DLR di mana teknologi baru yang melibatkan fisika kuantum akan dikembangkan untuk mendinginkan, melibatkan, dan memanipulasi atom. Hal ini juga seharusnya memajukan miniaturisasi modul laser dan menguji sensor kuantum otomatis sepenuhnya dalam ruang angkasa. Tujuan jangka panjang dalam hal ini adalah untuk menguji prinsip kesetaraan Einstein dimana percepatan tubuh oleh medan gravitasi independen dari sifat tubuh. Misalnya semua benda mengalami gravitasi yang sama jatuh dengan kecepatan yang sama.

Teknologi baru, seperti sisir femtosecond frekuensi, kisi optik, dan informasi kuantum, telah memungkinkan prototipe dari jam atom generasi berikutnya. Jam ini didasarkan pada optik daripada transisi microwave. Sebuah kendala utama untuk mengembangkan jam optik adalah sulitnya mengukur langsung frekuensi optik. Masalah ini telah diselesaikan dengan perkembangan laser mode-terkunci diri direferensikan (self-referenced mode-locked lasers), sering disebut sebagai sisir frekuensi femtosecond. Sebelum demonstrasi sisir frekuensi pada tahun 2000, teknik Terahertz diperlukan untuk menjembatani kesenjangan antara radio dan frekuensi optik, dan sistem untuk melakukannya sangatlah sulit dan rumit. Dengan penyempurnaan dari sisir frekuensi, pengukuran ini telah menjadi jauh lebih mudah diakses dan berbagai sistem jam optik sekarang sedang dikembangkan di seluruh dunia.

Lembaga standar nasional di banyak negara mempertahankan jaringan jam atom yang intercompared dan terus disinkronkan dengan akurasi 10-9 detik per hari (sekitar 1 bagian dalam 1014). Jam ini secara kolektif menentukan skala waktu kontinu dan stabil, Waktu Atom Internasional (TAI). Untuk waktu sipil, skala waktu lainnya digunakan, Coordinated Universal Time (UTC). UTC diturunkan dari TAI, tetapi disinkronisasikan dengan sekitar, dengan menggunakan detik kabisat, untuk UT1, yang didasarkan pada rotasi yang sebenarnya dari bumi sehubungan dengan waktu surya.

Tak terhitung percobaan drop-menara di Pusat Terapan Teknologi Ruang Angkasa dan Micro-gravitasi (ZARM), University of Bremen digunakan untuk mempersiapkan percobaan canggih di ruang angkasa. Modul laser dibangun di Ferdinand-Braun-Institut melalui Joint Lab Laser Metrologi bersama-sama dengan kelompok riset Optical Metrologi di HU Berlin. Bersama Lab telah menyelidiki dan mengembangkan modul laser semikonduktor ultra-akurat dan sangat padat untuk digunakan di ruang angkasa untuk beberapa waktu. Pusat mereka adalah laser DFB-distributed feedback (umpan balik didistribusikan) yang memancarkan cahaya dalam panjang gelombang yang sangat sempit atau frekuensi tertentu. Karakteristik Band spektral sempit ini adalah salah satu syarat utama untuk laser modul yang dibutuhkan untuk spektroskopi atom rubidium dan pengukuran presisi yang terkait. Dengan bantuan teknik mikro-integrasi hybrid yang unik, chip dioda laser dirakit bersama-sama dengan komponen elektronik dan optik ke dalam satu paket ruang angkasa. Modul seukuran telapak tangan benar-benar harus beroperasi sempurna di bawah kondisi yang sangat keras dari ruang angkasa. Mereka dikenai beban mekanis berat selama lepas landas ketika akselerasi naik sebanyak delapan kali gravitasi bumi.

Dr Andreas Wicht, kepala Laser Metrologi Group di FBH mengatakan bahwa teknik integrasi yang dikembangkan bahkan dapat menahan hingga 30 kali gravitasi Bumi, Dia juga melihat kelompoknya siap-serta untuk tantangan masa depan. Selain itu, pekerja ini menggunakan laser bandwidth yang bahkan lebih sempit dengan hybrid amplifier optik terintegrasi yang sangat cocok bahkan pada percobaan yang lebih kompleks. FBH telah memperluas pengetahuan melalui presisi pengukuran optik dan spektroskopi. Ini mewakili beberapa teknik pengukuran yang paling tepat dan tepat dari waktu dan akan membuka penerapan yang lebih lanjut.

Ketepatan jam atom tergantung pada dua faktor. Faktor pertama adalah suhu dari sampel atom-atom dingin yang bergerak jauh lebih lambat, memungkinkan pemeriksaan lebih lama. Faktor kedua adalah frekuensi dan lebar intrinsik transisi elektronik. Frekuensi yang lebih tinggi dan garis sempit yang meningkatkan presisi.

Pengembangan jam atom telah menyebabkan banyak kemajuan ilmiah dan teknologi seperti sistem pengukuran posisi yang tepat (Global Positioning System) di seluruh dunia, dan aplikasi di internet, yang sangat bergantung pada frekuensi dan waktu standar. Jam atom yang dipasang di situs waktu pemancar sinyal radio. Mereka digunakan di beberapa panjang gelombang dan stasiun penyiaran gelombang menengah untuk memberikan frekuensi pembawa yang sangat tepat. Jam atom digunakan dalam banyak disiplin ilmu, seperti dasar interferometri di radioastronomi. Dan saat ini jam atom optik adalah teknologi terakhir yang di temukan oleh para ilmuwan dalam menentukan keakurasian waktu.

Referensi


Einstein-Experiment erfolgreich im Weltraum,  April 23, 2015,  by Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB).

Tidak ada komentar:

Diberdayakan oleh Blogger.