Презентация на тему "Время в классической механике и теории относительности"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Время в классической механике и теории относительности

• 
  Слайд 2

  Время

  С развитием астрономии появилось понятие планетарных часов. Движение небесных тел (планет, спутников) Солнечной системы достаточно стабильно в силу законов механики и, следовательно, возможен отсчет времени по их периодическому движению. Были введены понятия астрономическое время и астрономическая шкала времени. К этим шкалам относятся: а) вращение Земли вокруг собственной оси и б) вращение Земли вокруг Солнца. Для отсчета времени были предложены различные варианты астрономического года: тропический год – это промежуток времени между двумя весен- ними равноденствиями: 1 год = 365,24220 средних солнечных суток: сидерический год – это промежуток времени, через который Земля при движении вокруг Солнца возвращается в прежнее положе- ние относительно неподвижной звезды: 1 год = 365,25636 средних солнечных суток;

• 
  Слайд 3

  Время в классической механике

  аномалистический год – интервал времени между двумя прохождениями Земли через перигелий: 1 год = 365,25946 средних земных суток. Развитие классической механики привело к новым представлениям о времени и пространстве. Были введены так называемое абсолютное время и абсолютное пространство механики Ньютона. Время в классической механике обозначается переменной которая характеризует положение или состояние движущихся тел. Это значит, что определение времени в классической механике чисто математическое

• 
  Слайд 4

  Часы

  Физик, применяющий классическую механику для изучения или предсказания наблюдаемых явлений, должен определить масштаб времени – часы. Часы позволяют связать значения какой-либо непрерывно меняющейся величины со значением времени. На практике невозможно создать идеальные часы. Следовательно, используемые хронометры должны контролироваться.

• 
  Слайд 5

  Абсолютное время

  Абсолютное время механики Ньютона. Абсолютное время существует само по себе и своим существованием не обязано чему бы то ни было в мире. Ходу времени подчиняются все тела природы, все физические явления. Но сами тела не оказывают никакого воздействия на время. Все моменты времени между собой равноправны и одинаковы – время однородно. Ход времени везде и всюду одинаков. Ход времени одинаково равномерен в прошлом, настоящем и будущем. Время простирается безгранично назад в прошлое и неограниченно в будущее. Время обладает одним измерением. Промежутки времени складывают, вычитают как отрезки евклидовой прямой. Таково абсолютное время.

• 
  Слайд 6

  Абсолютное пространство

  Абсолютное пространство. Пространство существует само по себе и не обязано чему бы то ни было в мире. Пространство вмещает все тела природы и дает место всем явлениям природы. Пространство всюду и везде одинаково по своим свойствам. Все точки, все направления равномерны. Во все времена пространство неизменно, одно и то же. Пространство не имеет границ. Оно простирается неограниченно во всех направлениях и имеет бесконечный объем. Пространство обла-дает тремя измерениями и описывается геометрией Евклида. Таково абсолютное пространство. Все перечисленные свойства не противоречат повседневной практике. Однако можно привести множество примеров, когда необходимо учитывать свойства времени (например, в навигационных системах) согласно теории относительности.

• 
  Слайд 7

  Два постулата теории относительности

  1. Постулат относительности. Все законы механики и оптики одинаковы во всех инерциальных системах. Принцип относительности гласит, что никакими механическими или электромагнитными, в том числе оптическими, экспериментами, производимыми внутри системы, невозможно обнаружить равномерное прямолинейное движение этой системы. 2. Постулат постоянства скорости света. Скорость света в пустоте одинакова во всех системах, независимо от относительного движения источника и наблюдателя.

• 
  Слайд 8
  

  В современном представлении абсолютного времени не существует – каждая движущаяся система имеет свои координаты xyz и «собственное время» tкоторое при переходе к другой системе координат также преобразуется.

• 
  Слайд 9
  

  Общие требования к метрологии и к квантовой метрологии совпадают. Квантовая метрология основана на квантовых явлениях:на переходных процессах из одного квантового состояния в другое. Благодаря этому измеряемые величины выражаются через физические константы (ФК): c =ln, E=hnи т. д. Посредством ФК устанавливается связь между единицами физических величин. В то же время ФК дают возможность количественно сопоставить выводы, вытекающие из физических законов, и в итоге определяют точность, полноту и единство наших пред- ставлений об окружающем мире

• 
  Слайд 10
  
• 
  Слайд 11
  
• 
  Слайд 12

  Задачи оптической (лазерной) метрологии:

  1) развитие принципов квантовой метрологии (КМ) в оптической области спектра; 2) проверка ФК, новые прецизионные измерения; 3) создание новых и повышение точности существующих оптических эталонов; 4) создание новой системы единиц измерения – через частоту; 5) разработка глобальной шкалы времени; 6) создание единого эталона времени частоты и длины.

• 
  Слайд 13

  ЗАДАЧИ ЛАЗЕРНОЙ МЕТРОЛОГИИ

  1) создание оптических стандартов частоты, включающее: а) развитие лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения, б) поиск новых реперов и получение сверхузких оптических резонансов, в) разработку методов стабилизации частоты лазеров; 2) создание малогабаритных оптических часов на основе современных достижений лазерной физики и электроники; 3) разработка методов и устройств (синтезаторов) для прецизионных частотных измерений; 4) создание различных приемлемых лазеров и элементов для синтеза частот в различных диапазонах; 5) достижение доступности оптических стандартов частоты и времени (оптических часов) для измерений; 6) перевозимость оптических часов и других систем.

• 
  Слайд 14

  Области применения оптической (лазерной) метрологии:

  1) прецизионные измерения ФК; 2) проверка общей теории относительности (например, обнаружение гравитационных волн); 3) прецизионные измерения частот оптических стандартов, а также высокоточные измерения любых частот произвольной области спектра; 4) проверка квантовой электродинамики; 5) разработка новой системы единиц на основе ФК; 6) геофизика; 7) астрофизические измерения; 8) экология; 9) точные измерения параметров (сверхмалые сдвиги, точное измерение длины в пределах 100 000 км).

• 
  Слайд 15
  
• 
  Слайд 16
  

  ПАРАМЕТР АЛЛАНА

• 
  Слайд 17
  
• 
  Слайд 18

  ИЗМЕРЕНИЯ

  Измерение – это процесс, в ходе которого результаты наблюдений ставятся в соответствие с числовыми величинами. Существенный этап измерения состоит в том, чтобы найти, сколько раз некая стандартная величина укладывается в данной неизвестной (измеряемой) величине. Измерения должны быть проведены в различных местах.

• 
  Слайд 19

  НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

  Эталон частоты (физическое определение) – это мера частоты, хранящая и воспроизводящая единицу частоты – герц (Гц) с наибольшей достоверностью, достижимой в настоящее время. Эталон частоты (техническое определение) – это совокупность приборов, служащих для выработки единицы частоты (Гц) и единицы времени – секунды (с) с наивысшей точностью и для сличения с ним вторичных эталонов и астрономического времени

• 
  Слайд 20
  

  Вторичный эталон – совокупность приборов, по классу точности приближающихся к эталону, но подлежащих калибровке по нему. Репер частоты – совокупность приборов, позволяющих наблюдать избранную спектральную линию без внесения в нее существенных возмущений, и сравнивать с нею частоты внешних сигналов.

• 
  Слайд 21
  
• 
  Слайд 22

  Towards an Optical Clock using Cold Strontium Atoms

  I. Courtillot, A. Quessada, R.P. Kovacich, P.Lemonde A.Brusch, D.Kolker, D.Rovera, J-J. Zondy, G. Santarelli, A.Clairon

• 
  Слайд 23

  State of the Art :Atomic Fountains

  Hyperfine Transition Césium133 (9.192 631 770 GHz) Rubidium87 (6.83.. GHz) Nat~108, T ~1mK Resonance width ~1Hz BNM-SYRTE : frequency Stability 3.10-14 t-1/2 (frequency noise) frequency Accuracy : 7 10 -16 (uncertainty on the frequency shifts)

• 
  Слайд 24

  Going to the optical domain…

  Stability caracterized by : > decrease Dn > enhance n (x 105)

• 
  Слайд 25
  

  Stability caracterized by : > decrease Dn > enhance n (x 105) 2 standard approaches : free Neutral Atoms trapped Ions Femtosecond Laser : frequency comparison micro-wave/optical, optical/optical R. Holzwarth et al, PRL 85,2264 (2000)

• 
  Слайд 26

  Femtosecond Laser

  Kerr effect mode locked Ti-Sa laser (25fs) Spectral broadening using a photonic crystal fiber Self referenced frequency comb : 40mm nopt = b + n x fr+ f0 fr = 880 MHz, locked to a Hydrogene Maser accuracy ~10Hz

• 
  Слайд 27

  Optical Clocks : state of the art

  NIST : Hg+,Ca PTB : Yb+, Ca Other experiments: NPL : Yb+ Sr+, NRC : Sr+, MPQ : H In+… BNM-SYRTE : Sr Accuracy 10-14 Bize et al. PRL 90, 150802 (2003) Stability Ca 4 10-15t -1/2 Oates et al. Opt. Lett. 25, 1603 (2000) Comparison Ca/Hg+ 8 10-15t -1/2 Diddams et al. Science 293, 825 (2001) Accuracy 10-14 Stenger et al. Opt. Lett. 26, 1589 (2001) Wilpers et al. PRL 89, 230801 (2002) Comparison Yb/Yb en accord à 2 10-15 Peik et al. EFTF-FCS 2003

• 
  Слайд 28

  Ion versus Neutral clocks…

  Trapped ions: Accuracy : Lamb-Dicke regime, low trapping field Limited stability by Nat : 1-7 ions (coulombian repulsion) Free neutral atoms: Stability : Nat~106 Accuracy limited by atomic motion : Doppler effect

• 
  Слайд 29
  

  Trapped ions: Accuracy : Lamb-Dicke regime, low field Limited stability by Nat : 1-7 ions (coulombian repulsion) Free neutral atoms: Stability : Nat~106 Accuracy limited by atomic motion : Doppler effect A neutral trapped atoms clock? Combine avantages of both approaches Trapping neutral involves high field…

• 
  Слайд 30
  

  An optical standard with trapped 87Sr 3P 0 461 nm 698 nm 87Sr (I= 9/2): 1 mHz 1S0 1P1 3S 1 ltrap ltrap Katori, Proc. 6th Symp. Freq. Standards and Metrology (2002) Pal’chikov, Domnin and Novoselov J. Opt. B. 5 (2003) S131 679nm ltrap~800 nm Powerfull lasers exist Far from any resonance

• 
  Слайд 31

  Sr experiment at BNM-SYRTE

  461 nm Cold atoms : Blue laser @ 461nm Zeeman slower Magneto-Optical Trap 1S0 1P1

• 
  Слайд 32
  

  461 nm 688 nm Cold atoms : Blue laser @ 461nm Zeeman slower Magneto-Optical Trap Clock transition Preliminary Measurements Direct Observation 3S1 698 nm (1mHz) 3P 0 1 1S0 1P1 2 679 nm 689 nm

• 
  Слайд 33

  461nm Laser

  461nm 115mW Nd:YAG (1064nm) 900mW KTP 813nm 170mW g=2,7 10-3 W/W2

• 
  Слайд 34

  Frequency stabilization scheme

  Diode laser control 1064nm cavity resonance control 813nm diodes Nd:YAG OI PZT 461nm Sr jet Atomic reference control Master 70 kHz ~ 100 kHz ~ S S

• 
  Слайд 35

  Experimental set-up

  Oven : 630° C Atomic flux : 2. 1012 at/s Vmoy = 550 m/s

• 
  Слайд 36

  Zeeman slower

  Slowing laser resonant for : Doppler effect

• 
  Слайд 37
  

  Slowing laser resonant for : Magnetic field optimized by Monte Carlo simulations: Doppler effect Zeeman effect

• 
  Слайд 38
  

  Slowing laser resonant for : Magnetic field optimized by Monte Carlo simulations: Doppler effect Zeeman effect 2-4 1010 at/s at ~25m/s

• 
  Слайд 39

  Magneto-Optical Trap

  MOT lifetime ~50 ms Up to 109 atoms (88Sr) 3 retro-reflected beams anti-Helmotz coils

• 
  Слайд 40

  Frequency measurements

  679 nm 688 nm 698 nm (1mHz) 3P 0 1 1S0 1P1 2 3S1 689 nm Preliminary measurements at : 689,688 and 679nm Direct observation

• 
  Слайд 41
  

  679 nm 688 nm 698 nm (1mHz) 3P 0 1 1S0 1P1 2 3S1 689 nm Preliminary measurements at : 689,688 and 679nm Direct observation

• 
  Слайд 42

  СВЧ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

• 
  Слайд 43
  

  В процессе создания СВЧ-стандартов частоты, были разработаны методы получения узких резонансов (реперов) и на их основе созданы высокостабильные источники излучения (до 10–13, 10–16 за 1 с). С созданием таких стандартов времени и частоты открылись небывалые возможности в метрологии времени. Методы получения узких резонансов в модифицированном виде были успешно использованы в оптической области спектра для создания оптических стандартов часто- ты. Поэтому кратко рассмотрим принципы работы и устройства основных СВЧ-стандартов, широко применяемых в метрологии, в том числе и в оптической области спектра.

• 
  Слайд 44
  

  АТОМ ВОДОРОДА. ВОДОРОДНЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ

• 
  Слайд 45
  

  Для того чтобы перейти к изучению Н-стандарта, кратко рассмотрим атом водорода. Боровские постулаты 1. Постулат стационарных состояний. При движении по орбитам электрон не излучает. 2. Правило квантования орбит. При движении по круговой орбите электрон имеет квантованные значения момента импульса (момента количества движения): mv – импульс, М = mva – момент количествадвижения (m – масса электрона, v – cкорость электрона, a – радиус орбиты). 3. При переходе электрона с орбиты на орбиту с большим или меньшим n происходит поглощение или испускание кванта света.

• 
  Слайд 46
  
• 
  Слайд 47
  
• 
  Слайд 48
  
• 
  Слайд 49
  
• 
  Слайд 50
  
• 
  Слайд 51
  
• 
  Слайд 52
  
• 
  Слайд 53
  
• 
  Слайд 54
  
• 
  Слайд 55
  
• 
  Слайд 56
  
• 
  Слайд 57
  
• 
  Слайд 58
  
• 
  Слайд 59
  
• 
  Слайд 60
  
• 
  Слайд 61
  
• 
  Слайд 62
  
• 
  Слайд 63
  
• 
  Слайд 64
  
• 
  Слайд 65
  
• 
  Слайд 66

  Цезиевый стандарт

  Cs-стандарт широко применяется в метрологии во всем мире. По решению Международного комитета мер и весов (1964 г.) цезиевый стандарт – международный первичный эталон частоты и времени. По цезиевому стандарту определяется атомное время (атомная секунда равна 9 192 631 770 периодам колебаний цезиевого эталона частоты). Напомним соотношения между квантовыми числами, описывающими сверхтонкую структуру: F = I + J

• 
  Слайд 67
  

  F = I + J

• 
  Слайд 68
  
• 
  Слайд 69
  
• 
  Слайд 70
  
• 
  Слайд 71
  
• 
  Слайд 72
  
• 
  Слайд 73
  
• 
  Слайд 74
  
• 
  Слайд 75
  

  - Магниты заменены на зоны, в которых атомы взаимодействуют с лазерным излучением. Лазер обеспечивает подготовку атомов к переходу в необходимые состояния и детектированию. -Разделенный луч расщепляется на два луча, которые пересекают атомный пучок до и после резонатора, образуя зоны взаимодействия. В каждой зоне создается магнитное поле. - Селекция состояний происходит в первой зоне оптического взаимодействия через оптическую накачку. - В результате около 13 % атомов переходят в состояния F = 4, mF = 0, а подуровни с F = 3, mF = 0 обедняются. В идеале разность заселенностей должна со- ставлять13 % (реально ~ 5–6 %

• 
  Слайд 76