가는 빗으로 측정하기

많은 사람들에게 측정은 눈금자에 눈금을 표시하거나 온도계의 선을 읽는 것과 같이 평범하게 들립니다. 데이터 조각입니다. 그리고 그들은 개선된 측정이 자의 더 가늘고 미세한 눈금처럼 보인다고 생각하는 경향이 있습니다. 그러나 새로운 측정을 하는 것은 눈금자에 더 미세한 표시를 하는 것 이상입니다. 무언가를 측정한다는 것은 그것을 이해하고, 그것을 분리하고 그것이 어떻게 작동하는지 보는 것입니다. 새로운 측정은 과학자들도 처음 시작할 때 생각하지 못했던 가능성을 열어줄 수 있습니다. 아마도 광학 주파수 빗보다 더 좋은 예는 없을 것입니다. 아주 간단히 말해서, 이 장치는 빛의 통치자입니다. 그러나 그것은 통치자 그 이상입니다.

전파, 마이크로파, 가시광선, X선 및 적외선은 모두 전자기 주파수 스펙트럼의 일부입니다. 그것들은 모두 빛의 속도로 이동하는 파동이지만 이러한 파동의 정점 사이의 거리는 일부 전파처럼 킬로미터 떨어져 있거나 가시광선 및 자외선처럼 나노미터 떨어져 있을 수 있습니다.

1970년대에 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 과학자들은 갇혀 있었습니다. 그들은 더 정확하고 정확한 원자 시계를 원했습니다. 원자 시계는 전자가 에너지 상태 사이를 이동할 때 방출되는 매우 높은 광학 주파수를 기반으로 합니다. 더 나은 시계는 초에 대한 더 정확한 정의를 제공합니다. 더 정확한 초는 미터에 대한 더 나은 정의를 제공합니다. 미터는 빛이 1초의 아주 작은 부분에서 진공에서 이동하는 거리입니다. 그러나 이 모든 것은 빛의 주파수를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 능력에 달려 있었습니다.

전자기 스펙트럼의 두 끝 사이에 측정 간격이 있었습니다. 과학자들은 무선 주파수와 마이크로파 주파수를 정확하게 측정할 수 있었지만 원자의 광학 주파수를 따라잡을 만큼 충분히 빠르게 셀 수 있는 전자 장치는 없었습니다. 그들은 원자의 광학 주파수를 읽기 위해 주파수가 일치하는 레이저를 사용할 수 있습니다. 과학자들은 알려진 정확한 주파수를 가진 레이저를 가지고 있었지만 단일 주파수 또는 색상만 생성할 수 있었습니다. 원자의 정확한 주파수를 알지 못하면 원자를 읽을 올바른 주파수 레이저를 찾는 데 많은 시행 착오가 필요합니다. NIST 과학자들은 기본적인 광학 눈금자를 만들기 위해 서로 다른 주파수의 여러 레이저를 데이지 체인 방식으로 연결하려고 시도했습니다. 이는 측정기를 재정의하기에 충분했지만 장기적인 해결책은 아니었습니다.

노벨상을 수상한 장치인 주파수 빗과 NIST 등의 수십 년 연구 결과에 대해 알아보십시오. 빗은 초당 10억 펄스의 빛을 생성하며 광학 공동 내부에서 앞뒤로 바운스됩니다. 이것은 빗의 무지개 색 이빨처럼 보이는 수백만 개의 광 주파수 스파이크를 생성합니다(따라서 이름). 빗의 첫 번째 치아는 알려진 주파수로 설정되어 과학자들이 다른 주파수를 읽을 수 있는 출발점을 제공합니다. 눈금자와 마찬가지로 첫 번째 마커가 1밀리미터이고 각 마커가 밀리미터 떨어져 있다는 것을 알고 있으면 쉽게 측정을 시작할 수 있습니다. 유사하게, 그들은 이러한 주파수가 얼마나 멀리 떨어져 있는지 정확히 알고 있기 때문에 과학자들은 전자기 스펙트럼의 두 끝을 결합하는 간단한 수학 공식을 사용하여 이러한 광학 신호를 마이크로파로 변환할 수 있습니다. 이것은 많은 연구의 문을 열어줍니다.

과학자들은 이 새로운 기술을 사용하여 더 나은 시계를 만들고 결국 민간 시간 표준에 사용되는 세슘 시계보다 100배 더 나은 시계를 개발했습니다. 정확한 시간 신호에 의존하여 위치를 결정하는 GPS 탐색에는 보다 정확하고 정밀한 시계가 중요합니다. 더 나은 시계는 중력의 작은 변화를 감지하는 것부터 양자 세계의 현상을 연구하고 아마도 암흑 물질을 찾는 것까지 연구 이점이 있습니다. 이러한 시계는 결국 초를 정의하는 방법을 변경할 수 있습니다.

모든 원자와 분자는 시계에 사용되는 원자뿐만 아니라 에너지 상태 사이를 이동할 때 고유한 주파수의 빛을 방출합니다. 빗의 주파수 중 하나가 정확히 같은 주파수의 원자나 분자에 부딪히면 과학자들은 그들이 부딪힌 원자나 분자의 종류를 식별할 수 있습니다. 광학 주파수 빗을 사용하여 과학자들은 별의 구성을 아주 자세하게 연구할 수 있었습니다. 천체 물리학자들은 별빛의 주파수 변화를 측정하여 새로운 행성을 발견했는지 알 수 있습니다. 주파수 빗을 사용하여 레이더 또는 소나와 같은 물체를 감지하기 위해 물체에서 빛을 반사하는 광 측정 시스템을 개선할 수 있습니다. 그들은 화염을 통해 물체를 볼 수 있어 NIST 과학자들이 화재 중에 구조가 어떻게 실패하는지 연구하는 데 도움이 됩니다. 빗은 또한 공기 중 가장 작은 양의 온실 가스를 감지하거나 인간의 호흡에서 질병을 찾는 데 사용됩니다.