Det skulle ta 15 miljarder år för klockan som ockuperar Jun Yes källarlabb vid University of Colorado att förlora en sekund – ungefär hur länge universum har funnits.

För denna uppfinning, den kinesisk-amerikanske vetenskapsmannen, tillsammans med Hidetoshi Katori från Japan, kommer att dela 3 miljoner dollar som medvinnare av 2022 års genombrottspris i fundamental fysik.

Arbetar självständigt, de två utvecklade tekniker som använder laser för att fånga och kyla atomer, sedan utnyttja deras vibrationer för att driva vad som kallas "optiska gitterklockor, " de mest exakta tidtagningsbitarna som någonsin byggts.

Som jämförelse, nuvarande atomklockor tappar en sekund en gång var 100:e miljon år.

Men vad vinner man på större noggrannhet?

"Det är verkligen ett instrument som låter dig undersöka den grundläggande strukturen av rum-tid i universum, "Du sa till AFP.

I Yes labb, forskare har visat att tiden går långsammare när klockan flyttas närmare marken med några centimeter, i linje med Einsteins förutsägelser om relativitet.

Tillämpad på nuvarande teknik, dessa klockor kan förbättra GPS-navigeringsnoggrannheten med en faktor tusen, eller hjälpa till att landa ett obemannat rymdplan på Mars.

En kort tidshistoria

Att förbättra precisionen och noggrannheten i tidtagning har varit ett mål sedan forntida egyptier och kineser gjorde solur.

Ett viktigt genombrott kom med uppfinningen av pendelklockan 1656, som förlitar sig på en svängande vikt för att hålla tiden, och några decennier senare var kronometrar tillräckligt noggranna för att bestämma ett fartygs longitud till havs.

I början av 1900-talet kom kvartsklockor, som när den skakas med elektricitet ger resonans vid mycket specifika, höga frekvenser, eller antalet bockar på en sekund.

Kvartsklockor finns överallt i modern elektronik, men är fortfarande något mottagliga för variationer orsakade av tillverkningsprocessen, eller förhållanden som temperatur.

Nästa stora steg i tidtagning kom från att utnyttja rörelserna hos energisatta atomer för att utveckla atomklockor, som är immuna mot effekterna av sådana miljövariationer.

Fysiker vet att en enda, mycket hög frekvens kommer att få partiklar som kallas elektroner som kretsar kring kärnan i en specifik typ av atom att hoppa till ett högre energitillstånd, hitta en bana längre bort från kärnan.

Atomklockor genererar den ungefärliga frekvensen som får atomer av grundämnet Cesium att hoppa till det högre energitillståndet.

Sedan, en detektor räknar antalet atomer med energi, justera frekvensen vid behov för att göra klockan mer exakt.

Så exakt att sedan 1967, en sekund har definierats som 9, 192, 631, 770 svängningar av en cesiumatom.

Utforska universum, och jorden

Katoris och Yes labb har hittat sätt att förbättra atomklockorna ytterligare genom att flytta svängningar till den synliga änden av det elektromagnetiska spektrumet, med frekvenser som är hundra tusen gånger högre än de som används i nuvarande atomklockor – för att göra dem ännu mer exakta.

De insåg att de behövde ett sätt att fånga atomerna – i det här fallet, av grundämnet strontium – och håll dem stilla med ultralåga temperaturer för att hjälpa till att mäta tiden på rätt sätt.

Om atomerna faller på grund av gravitationen eller på annat sätt rör sig, det skulle bli en förlust av noggrannhet, och relativitet skulle orsaka snedvridande effekter på tidtagningen.

För att fånga atomerna, uppfinnarna skapade ett "optiskt gitter" gjort av laservågor som rörde sig i motsatta riktningar för att bilda en stationär, äggkartongliknande form.

Ye är exalterad över den potentiella användningen av hans klocka. Till exempel, Att synkronisera klockorna på världens bästa observatorier ner till de minsta bråkdelen av en sekund skulle göra det möjligt för astronomer att bättre begreppsbilda svarta hål.

Bättre klockor kan också kasta nytt ljus över jordens geologiska processer.

Relativiteten säger oss att tiden saktar ner när den närmar sig en massiv kropp, så en tillräckligt exakt klocka skulle kunna berätta för forskare skillnaden mellan fast sten och vulkanisk lava under ytan, hjälper till att förutsäga ett utbrott.

Eller faktiskt, mäta nivåerna i haven, eller hur mycket vatten som rinner under en öken.

Nästa stora utmaning, Du säger, kommer att miniatyrisera tekniken så att den kan flyttas ut från ett labb.

Forskaren medger att det ibland är svårt att förklara grundläggande fysikbegrepp för allmänheten.

"Men när de hör om klockor, de kan känna att det är en påtaglig sak, de kan göra en koppling till det, och det är väldigt givande, " han sa.

© 2021 AFP