Jam atom sangat tepat yang membuat ralat satu saat setiap 300 juta tahun. Jam ini, yang menggantikan model lama yang mempunyai ralat satu saat setiap seratus juta tahun, kini menetapkan standard untuk masa sivil Amerika. Lenta.ru memutuskan untuk mengingat kembali sejarah penciptaan jam atom.

Atom pertama

Untuk mencipta jam, cukup menggunakan sebarang proses berkala. Dan sejarah kemunculan alat pengukur masa adalah sebahagiannya sejarah kemunculan sama ada sumber tenaga baharu atau sistem ayunan baharu yang digunakan dalam jam tangan. Jam yang paling mudah mungkin ialah jam matahari: untuk operasinya anda hanya memerlukan Matahari dan objek yang mengeluarkan bayang-bayang. Kelemahan kaedah penentuan masa ini adalah jelas. Air dan jam pasir juga tidak lebih baik: ia hanya sesuai untuk mengukur tempoh masa yang agak singkat.

Jam mekanikal tertua ditemui pada tahun 1901 berhampiran pulau Antikythera di atas kapal karam di Laut Aegean. Ia mengandungi kira-kira 30 gear gangsa dalam bekas kayu berukuran 33 kali 18 kali 10 sentimeter dan bertarikh dari kira-kira tahun keseratus SM.

Selama hampir dua ribu tahun, jam tangan mekanikal adalah yang paling tepat dan boleh dipercayai. Kemunculan pada tahun 1657 karya klasik Christian Huygens "The Pendulum Clock" ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica"), menggambarkan peranti penyimpan masa dengan bandul sebagai sistem berayun, mungkin merupakan apogee dalam sejarah perkembangan alat mekanikal jenis sedemikian.

Walau bagaimanapun, ahli astronomi dan kelasi masih menggunakan langit berbintang dan peta untuk menentukan lokasi dan masa yang tepat. Jam elektrik pertama dicipta pada tahun 1814 oleh Francis Ronalds. Walau bagaimanapun, peranti pertama sedemikian adalah tidak tepat kerana kepekaan terhadap perubahan suhu.

Sejarah lanjut jam tangan disambungkan dengan penggunaan pelbagai sistem berayun dalam peranti. Diperkenalkan pada tahun 1927 oleh Bell Laboratories, jam kuarza mengeksploitasi sifat piezoelektrik kristal kuarza: apabila terdedah kepada arus elektrik kristal mula mengecut. Kronometer kuarza moden boleh tepat dalam masa 0.3 saat sebulan. Walau bagaimanapun, kerana kuarza terdedah kepada penuaan, jam tangan menjadi kurang tepat dari semasa ke semasa.

Dengan perkembangan fizik atom, saintis mencadangkan menggunakan zarah jirim sebagai sistem berayun. Ini adalah bagaimana jam atom pertama muncul. Idea kemungkinan menggunakan getaran atom hidrogen untuk mengukur masa telah dicadangkan pada tahun 1879 oleh ahli fizik Inggeris Lord Kelvin, tetapi hanya pada pertengahan abad ke-20 ini menjadi mungkin.

Pengeluaran semula lukisan oleh Hubert von Herkomer (1907)

Pada tahun 1930-an, ahli fizik Amerika dan penemu resonans magnet nuklear Isidor Rabi mula mengusahakan jam atom dengan cesium-133, tetapi meletusnya perang menghalangnya. Selepas perang, pada tahun 1949, jam molekul pertama menggunakan molekul ammonia telah dicipta di Jawatankuasa Piawaian Kebangsaan AS dengan penyertaan Harold Lyonson. Tetapi kali pertama alat pengukur itu tidak setepat jam atom moden.

Ketepatan yang agak rendah adalah disebabkan oleh fakta bahawa disebabkan oleh interaksi molekul ammonia antara satu sama lain dan dengan dinding bekas di mana bahan ini berada, tenaga molekul berubah dan garis spektrumnya meluas. Kesan ini sangat serupa dengan geseran dalam jam tangan mekanikal.

Kemudian, pada tahun 1955, Louis Essen dari Makmal Fizikal Kebangsaan UK memperkenalkan jam atom cesium-133 yang pertama. Jam ini mengumpul ralat satu saat selama sejuta tahun. Peranti itu dinamakan NBS-1 dan mula dianggap sebagai piawai frekuensi cesium.

Gambarajah skematik jam atom terdiri daripada pengayun kuarza yang dikawal oleh diskriminator menggunakan litar maklum balas. Pengayun menggunakan sifat piezoelektrik kuarza, manakala diskriminator menggunakan getaran bertenaga atom supaya getaran kuarza dijejaki oleh isyarat daripada peralihan daripada tahap tenaga yang berbeza dalam atom atau molekul. Di antara penjana dan diskriminator terdapat pemampas yang ditala kepada frekuensi getaran atom dan membandingkannya dengan frekuensi getaran kristal.

Atom yang digunakan dalam jam mesti memberikan getaran yang stabil. Untuk setiap frekuensi sinaran elektromagnet, terdapat atom: kalsium, strontium, rubidium, cesium, hidrogen. Atau bahkan molekul ammonia dan iodin.

Standard masa

Dengan kemunculan alat pengukur masa atom, ia menjadi mungkin untuk menggunakannya sebagai piawaian sejagat untuk menentukan yang kedua. Sejak 1884, Waktu Greenwich, yang dianggap sebagai piawaian dunia, telah memberi laluan kepada piawaian jam atom. Pada tahun 1967, dengan keputusan Persidangan Agung Timbang dan Sukat Ke-12, satu saat ditakrifkan sebagai tempoh 9192631770 tempoh sinaran sepadan dengan peralihan antara dua tahap hiperhalus keadaan dasar atom cesium-133. Takrifan kedua ini tidak bergantung pada parameter astronomi dan boleh diterbitkan semula di mana-mana di planet ini. Cesium-133, yang digunakan dalam piawaian jam atom, adalah satu-satunya isotop stabil cesium dengan 100% kelimpahan di Bumi.

Jam atom juga digunakan dalam sistem navigasi satelit; mereka perlu untuk menentukan masa yang tepat dan koordinat satelit. Oleh itu, setiap satelit GPS mempunyai empat set jam sedemikian: dua rubidium dan dua cesium, yang memastikan ketepatan penghantaran isyarat 50 nanosaat. Satelit Rusia sistem GLONASS juga dilengkapi dengan instrumen pengukur masa atom cesium dan rubidium, dan satelit sistem geoposisi Galileo Eropah yang digunakan dilengkapi dengan hidrogen dan rubidium.

Ketepatan jam hidrogen adalah yang tertinggi. Ia adalah 0.45 nanosaat dalam 12 jam. Nampaknya, penggunaan jam yang tepat oleh Galileo akan menjadikan sistem navigasi ini sebagai peneraju pada 2015, apabila terdapat 18 satelitnya di orbit.

Jam atom padat

Hewlett-Packard menjadi syarikat pertama yang membangunkan jam atom padat. Pada tahun 1964, dia mencipta peranti cesium HP 5060A, saiz beg besar. Syarikat itu terus membangunkan arah ini, tetapi pada tahun 2005 ia menjual bahagiannya membangunkan jam atom kepada Symmetricom.

Pada 2011, pakar dari Draper Laboratory dan Sandia National Laboratories telah membangunkan dan Symmetricom mengeluarkan jam atom kecil pertama, Quantum. Pada masa pelepasan, mereka berharga kira-kira 15 ribu dolar, dimasukkan ke dalam kes tertutup berukuran 40 kali 35 kali 11 milimeter dan berat 35 gram. Penggunaan kuasa jam adalah kurang daripada 120 miliwatt. Mereka pada asalnya dibangunkan atas perintah Pentagon dan bertujuan untuk melayani sistem navigasi yang beroperasi secara bebas daripada sistem GPS, contohnya, jauh di bawah air atau tanah.

Sudah pada penghujung tahun 2013, syarikat Amerika Bathys Hawaii memperkenalkan jam atom "pergelangan tangan" pertama. Mereka menggunakan cip SA.45s yang dikeluarkan oleh Symmetricom sebagai komponen utama. Di dalam cip terdapat kapsul dengan cesium-133. Reka bentuk jam tangan juga termasuk fotosel dan laser berkuasa rendah. Yang terakhir memastikan pemanasan gas sesium, akibatnya atomnya mula bergerak dari satu tahap tenaga ke tahap tenaga yang lain. Pengukuran masa dengan tepat dilakukan dengan merekodkan peralihan sedemikian. Kos peranti baru adalah kira-kira 12 ribu dolar.

Aliran ke arah pengecilan, autonomi dan ketepatan akan membawa kepada fakta bahawa dalam masa terdekat peranti baharu yang menggunakan jam atom akan muncul di semua kawasan kehidupan manusia, bermula daripada penyelidikan angkasa lepas mengenai satelit dan stesen yang mengorbit kepada aplikasi isi rumah dalam bilik dan sistem pergelangan tangan.

MOSCOW, 27 Oktober – RIA Novosti, Olga Kolentsova. Apa itu masa? Pengarah filem fiksyen sains Mereka percaya bahawa ini adalah sejenis dimensi di mana seseorang boleh bergerak. Dalam dunia nyata, masa ditentukan oleh kedudukan objek di angkasa. Secara teorinya, jika kita boleh mengembalikan setiap zarah di Alam Semesta kepada keadaan dan kedudukan di mana ia berada pada masa tertentu, kita akan mengembara kembali ke masa lalu.

Jadi, buat masa ini, pengetahuan kami memungkinkan untuk menentukan masa bergantung kepada perubahan mekanikal yang berlaku di dunia. Sebagai contoh, satu putaran lengkap Bumi mengelilingi paksinya menentukan hari, dan mengelilingi Matahari - setahun. Tetapi orang ramai mempunyai keperluan untuk membahagikan hari kepada segmen yang lebih kecil dan jelas - jam, minit, saat.

Untuk mengira unit ini, orang datang dengan peranti khas - jam tangan. Sejarah mereka berlangsung berabad-abad, dan bersama-sama dengan teknologi, keperluan untuk ketepatan pengukuran masa semakin meningkat. Jika dalam kehidupan seharian kita bergaul dengan baik dengan mekanikal dan jam elektronik, maka sains memerlukan instrumen yang lebih tepat.

Asas untuk mengira masa ialah peristiwa berulang tertentu apabila objek kembali kepada keadaan asalnya selepas tempoh masa yang ditetapkan dengan ketat. Contohnya, dalam jam tangan mekanikal, gear berputar (atau bandul berayun), dan dalam jam pasir ada saat apabila semua butiran pasir jatuh ke dasar kapal.

Sudah tentu, jam tangan elektronik dan mekanikal moden jauh lebih tepat daripada pendahulunya - air, pasir dan solar. Tetapi sesetengah kawasan memerlukan mekanisme yang lebih tepat. Dan orang mencipta jam yang berfungsi berdasarkan proses yang berlaku di dalam atom.

Seperti yang anda ketahui, atom terdiri daripada nukleus dan awan elektron. Elektron terletak pada tahap tenaga yang berbeza. Semakin jauh elektron dari nukleus, semakin banyak tenaga yang dimilikinya. Bayangkan seekor anjing diikat pada rasuk keluli dengan tali yang kuat tetapi boleh diregangkan. Semakin dia mahu menjauh, semakin ketat dia perlu mengetatkan tali. Sudah tentu, anjing yang kuat dan besar akan dapat bergerak lebih jauh daripada yang kecil dan lemah.

© Foto AP/Focke Strangmann

© Foto AP/Focke Strangmann

Apabila bergerak ke tahap yang lebih rendah, elektron memancarkan tenaga, dan apabila bergerak ke tahap yang lebih tinggi, ia menyerap tenaga. Elektron "melompat" boleh dikawal menggunakan sinaran elektromagnet, yang merupakan sumber tenaga. Sinaran mempunyai frekuensi tertentu. Nilai ini adalah songsang bagi tempoh ayunan, iaitu, masa yang diperlukan untuk objek yang melakukan pergerakan "tertutup" untuk kembali ke keadaan asalnya.

Jam atom menggunakan kalsium, hidrogen, thulium, strontium, rubidium, torium, iodin dan metana, dan selalunya cesium. Elektron dalam jam atom berasaskan cesium-133 memancarkan radiasi elektromagnetik dengan frekuensi 9,192,631,770 Hz. Bilangan selang inilah satu saat dalam jam semula jadi ini dibahagikan kepada. Menurut definisi yang diterima pakai secara rasmi pada tahun 1967 di Persidangan Agung mengenai Timbang dan Sukat, atom cesium-133 diiktiraf sebagai piawai untuk mengukur masa. Ketepatan kedua menentukan ketulenan unit asas kuantiti fizikal yang lain, seperti volt atau watt, yang ditentukan mengikut masa.

Jam ultra-tepat berfungsi seperti ini: Cesium-133 dipanaskan, dan beberapa atom meninggalkan bahan utama, dan kemudian melalui medan magnet, yang menghilangkan atom dengan keadaan tenaga yang dikehendaki. Atom terpilih melalui medan magnet dengan frekuensi yang hampir dengan frekuensi sinaran elektromagnet apabila elektron melalui satu tahap ke tahap yang lain dalam cesium-133. Di bawah pengaruh medan, atom menukar keadaan tenaga dan jatuh pada pengesan, yang merekodkan saat apabila keadaan tenaga yang dikehendaki dicapai. nombor terhebat atom. Kemudian nilai frekuensi medan elektromagnet dimasukkan ke dalam pembahagi frekuensi, yang menentukan unitnya dengan membahagikan yang kedua. Hasilnya ialah "saat baharu", diambil sebagai piawaian unit masa minimum.

© Ilustrasi oleh RIA Novosti. Alina Polyanina

“Pembuat jam” manakah yang mencipta dan menyempurnakan mekanisme yang sangat tepat ini? Adakah penggantinya? Mari cuba fikirkan.

Pada tahun 2012, ketepatan masa atom akan menyambut ulang tahunnya yang keempat puluh lima. Pada tahun 1967, kategori masa dalam Sistem antarabangsa unit mula ditentukan bukan oleh skala astronomi, tetapi oleh piawai frekuensi cesium. Inilah yang orang biasa panggil jam atom.

Apakah prinsip operasi pengayun atom? "Peranti" ini menggunakan tahap tenaga kuantum atom atau molekul sebagai sumber frekuensi resonans. Mekanik kuantum menghubungkan dengan sistem nukleus atom- elektron" beberapa aras tenaga diskret. Medan elektromagnet dengan frekuensi tertentu boleh mencetuskan peralihan sistem ini daripada aras rendah kepada lebih tinggi. Ia juga mungkin fenomena sebaliknya: Atom boleh bergerak dari tahap tenaga tinggi ke tahap yang lebih rendah dengan memancarkan tenaga. Kedua-dua fenomena boleh dikawal dan lompatan antara peringkat tenaga ini boleh direkodkan, dengan itu mewujudkan kemiripan litar berayun. Kekerapan resonan litar ini akan sama dengan perbezaan tenaga antara dua tahap peralihan dibahagikan dengan pemalar Planck.

Pengayun atom yang terhasil mempunyai kelebihan yang tidak diragukan berbanding pendahulu astronomi dan mekanikalnya. Kekerapan resonans semua atom bahan yang dipilih untuk pengayun akan, tidak seperti bandul dan piezocrystals, adalah sama. Di samping itu, atom tidak haus atau berubah sifatnya dari semasa ke semasa. Sesuai untuk kronometer yang hampir kekal dan sangat tepat.

Buat pertama kalinya, kemungkinan menggunakan peralihan tenaga antara peringkat dalam atom sebagai piawai frekuensi telah dipertimbangkan semula pada tahun 1879 oleh ahli fizik British William Thomson, lebih dikenali sebagai Lord Kelvin. Beliau mencadangkan penggunaan hidrogen sebagai sumber atom resonator. Walau bagaimanapun, kajiannya agak bersifat teori. Sains pada masa itu belum bersedia untuk membangunkan kronometer atom.

Ia mengambil masa hampir seratus tahun untuk idea Lord Kelvin menjadi kenyataan. Ia adalah masa yang lama, tetapi tugas itu tidak mudah. Mengubah atom menjadi pendulum yang ideal ternyata lebih sukar dalam amalan daripada dalam teori. Kesukaran terletak dalam pertempuran dengan lebar resonan yang dipanggil - turun naik kecil dalam kekerapan penyerapan dan pelepasan tenaga apabila atom bergerak dari tahap ke tahap. Nisbah frekuensi resonans kepada lebar resonans menentukan kualiti pengayun atom. Jelas sekali, semakin besar nilai lebar resonans, semakin rendah kualiti pendulum atom. Malangnya, ia tidak mungkin untuk meningkatkan frekuensi resonans untuk meningkatkan kualiti. Ia tetap untuk atom setiap bahan tertentu. Tetapi lebar resonans boleh dikurangkan dengan meningkatkan masa pemerhatian atom.

Secara teknikal, ini boleh dicapai seperti berikut: biarkan pengayun luaran, contohnya kuarza, menjana sinaran elektromagnet secara berkala, menyebabkan atom bahan penderma melompat merentasi tahap tenaga. Dalam kes ini, tugas penala kronograf atom adalah untuk membawa frekuensi pengayun kuarza ini sedekat mungkin dengan frekuensi resonans peralihan antara peringkat atom. Ini menjadi mungkin dalam kes tempoh pemerhatian yang cukup lama bagi getaran atom dan penciptaan maklum balas yang mengawal frekuensi kuarza.

Benar, sebagai tambahan kepada masalah mengurangkan lebar resonans dalam kronograf atom, terdapat banyak masalah lain. Ini adalah kesan Doppler - peralihan dalam frekuensi resonans akibat pergerakan atom, dan perlanggaran bersama atom, menyebabkan peralihan tenaga yang tidak dirancang, dan juga pengaruh tenaga meresap bahan gelap.

Percubaan pertama pada pelaksanaan praktikal jam atom dibuat pada tahun tiga puluhan abad yang lalu oleh saintis di Universiti Columbia di bawah kepimpinan masa depan Pemenang Nobel Dr Isidor Rabi. Rabi mencadangkan menggunakan isotop cesium 133 Cs sebagai sumber atom bandul. Malangnya, karya Rabi, yang sangat menarik minat NBS, telah terganggu oleh Perang Dunia II.

Selepas siap, peneraju dalam pelaksanaan kronograf atom diserahkan kepada pekerja NBS Harold Lyons. Pengayun atomnya bekerja pada ammonia dan memberikan ralat yang sepadan dengannya contoh terbaik resonator kuarza. Pada tahun 1949, jam atom ammonia telah ditunjukkan kepada orang ramai. Walaupun ketepatan yang agak sederhana, mereka melaksanakan prinsip asas kronografi atom generasi akan datang.

Prototaip jam atom cesium yang diperoleh oleh Louis Essen memberikan ketepatan 1 * 10 -9, sementara mempunyai lebar resonans hanya 340 Hertz

Tidak lama kemudian, profesor Universiti Harvard Norman Ramsey menambah baik idea Isidor Rabi, mengurangkan kesan kesan Doppler terhadap ketepatan pengukuran. Beliau mencadangkan, bukannya satu atom penguja denyut frekuensi tinggi yang panjang, untuk menggunakan dua atom pendek yang dihantar ke lengan pandu gelombang pada jarak tertentu antara satu sama lain. Ini memungkinkan untuk mengurangkan lebar resonans secara mendadak dan sebenarnya memungkinkan untuk mencipta pengayun atom yang merupakan susunan magnitud yang lebih tinggi dalam ketepatan daripada nenek moyang kuarza mereka.

Pada tahun lima puluhan abad yang lalu, berdasarkan skema yang dicadangkan oleh Norman Ramsey, di Makmal Fizikal Kebangsaan (UK), pekerjanya Louis Essen bekerja pada pengayun atom berdasarkan isotop cesium 133 Cs yang dicadangkan oleh Rabi sebelum ini. Cesium tidak dipilih secara kebetulan.

Skim tahap peralihan hiperhalus atom bagi isotop cesium-133

Digolongkan dalam kumpulan logam alkali, atom cesium sangat mudah teruja untuk melompat antara tahap tenaga. Sebagai contoh, pancaran cahaya boleh dengan mudah mengetuk aliran elektron daripada struktur atom cesium. Disebabkan oleh sifat ini, cesium digunakan secara meluas dalam pengesan foto.

Reka bentuk pengayun cesium klasik berdasarkan pandu gelombang Ramsey

Piawaian kekerapan cesium rasmi pertama NBS-1

Keturunan NBS-1 - pengayun NIST-7 menggunakan pengepaman laser bagi pancaran atom cesium

Ia mengambil masa lebih daripada empat tahun untuk prototaip Essen untuk menjadi standard sebenar. Lagipun, pelarasan tepat jam atom hanya boleh dilakukan dengan perbandingan dengan unit masa ephemeris sedia ada. Sepanjang empat tahun, pengayun atom telah ditentukur dengan memerhatikan putaran Bulan mengelilingi Bumi menggunakan kamera lunar ketepatan yang dicipta oleh William Markowitz dari Balai Cerap Tentera Laut AS.

"Pelarasan" jam atom kepada ephemeris lunar telah dijalankan dari 1955 hingga 1958, selepas itu peranti itu diiktiraf secara rasmi oleh NBS sebagai standard frekuensi. Selain itu, ketepatan jam atom cesium yang tidak pernah berlaku sebelum ini mendorong NBS untuk menukar unit masa dalam piawaian SI. Sejak 1958, yang kedua telah diterima pakai secara rasmi sebagai "tempoh 9,192,631,770 tempoh sinaran yang sepadan dengan peralihan antara dua tahap hiperhalus keadaan piawai atom isotop cesium-133."

Peranti Louis Essen dinamakan NBS-1 dan dianggap sebagai piawai frekuensi cesium pertama.

Dalam tempoh tiga puluh tahun akan datang, enam pengubahsuaian NBS-1 telah dibangunkan, yang terbaru, NIST-7, dicipta pada tahun 1993 dengan menggantikan magnet dengan perangkap laser, memberikan ketepatan 5 * 10 -15 dengan lebar resonan hanya enam puluh -dua Hertz.

Jadual perbandingan ciri piawai kekerapan sesium yang digunakan oleh NBS

Peranti NBS adalah dirian pegun, yang membolehkan ia diklasifikasikan sebagai piawai dan bukannya pengayun yang digunakan secara praktikal. Tetapi untuk tujuan praktikal semata-mata, Hewlett-Packard bekerja untuk faedah piawai frekuensi cesium. Pada tahun 1964, gergasi komputer masa depan mencipta versi kompak standard frekuensi cesium - peranti HP 5060A.

Ditentukur menggunakan piawaian NBS, piawaian frekuensi HP 5060 sesuai dengan rak peralatan radio biasa dan merupakan kejayaan komersial. Berkat piawaian frekuensi cesium yang ditetapkan oleh Hewlett-Packard, ketepatan jam atom yang tidak pernah berlaku sebelum ini menjadi meluas.

Hewlett-Packard 5060A.

Akibatnya, perkara seperti televisyen satelit dan komunikasi, sistem navigasi global dan perkhidmatan penyegerakan masa rangkaian maklumat. Terdapat banyak aplikasi untuk teknologi kronograf atom perindustrian. Pada masa yang sama, Hewlett-Packard tidak berhenti di situ dan sentiasa meningkatkan kualiti piawaian cesium dan berat serta dimensinya.

Keluarga jam atom Hewlett-Packard

Pada tahun 2005, bahagian jam atom Hewlett-Packard telah dijual kepada Simmetricom.

Bersama dengan cesium, rizab yang sifatnya sangat terhad, dan permintaan untuknya dalam pelbagai bidang teknologi adalah sangat tinggi, rubidium, yang sifatnya sangat dekat dengan cesium, digunakan sebagai bahan penderma.

Nampaknya skema jam atom yang sedia ada telah disempurnakan. Sementara itu, ia mempunyai kelemahan yang menjengkelkan, penghapusan yang menjadi mungkin dalam generasi kedua piawaian frekuensi cesium, yang dipanggil air pancut cesium.

Pancutan masa dan molase optik

Walaupun ketepatan tertinggi kronometer atom NIST-7, yang menggunakan pengesanan laser keadaan atom sesium, reka bentuknya tidak berbeza secara asas daripada reka bentuk versi pertama piawaian frekuensi cesium.

A kecacatan reka bentuk Kesemua skema ini adalah pada asasnya mustahil untuk mengawal kelajuan perambatan pancaran atom cesium yang bergerak dalam pandu gelombang. Dan ini walaupun pada hakikatnya kelajuan pergerakan atom cesium pada suhu bilik adalah seratus meter sesaat. Sangat cepat.

Itulah sebabnya semua pengubahsuaian piawaian cesium adalah mencari keseimbangan antara saiz pandu gelombang, yang mempunyai masa untuk mempengaruhi atom cesium cepat pada dua titik, dan ketepatan mengesan keputusan pengaruh ini. Semakin kecil pandu gelombang, semakin sukar untuk membuat denyutan elektromagnet berturut-turut yang mempengaruhi atom yang sama.

Bagaimana jika kita mencari cara untuk mengurangkan kelajuan atom cesium? Idea inilah yang menyibukkan pelajar MIT Jerold Zacharius, yang mengkaji pengaruh graviti ke atas tingkah laku atom pada akhir empat puluhan abad yang lalu. Kemudian, terlibat dalam pembangunan varian standard frekuensi cesium Atomichron, Zacharius mencadangkan idea pancutan cesium - kaedah untuk mengurangkan kelajuan atom cesium kepada satu sentimeter sesaat dan menyingkirkan pandu gelombang bersenjata dua. pengayun atom tradisional.

Idea Zacharius adalah mudah. Bagaimana jika anda menembak atom cesium secara menegak di dalam pengayun? Kemudian atom yang sama akan melalui pengesan dua kali: sekali semasa perjalanan ke atas, dan sekali lagi ke bawah, di mana mereka akan tergesa-gesa di bawah pengaruh graviti. Dalam kes ini, pergerakan ke bawah atom akan menjadi lebih perlahan daripada berlepas, kerana semasa perjalanan mereka di air pancut, mereka akan kehilangan tenaga. Malangnya, pada tahun lima puluhan abad yang lalu, Zacharius tidak dapat merealisasikan ideanya. Dalam persediaan eksperimennya, atom yang bergerak ke atas berinteraksi dengan atom yang jatuh ke bawah, yang mengelirukan ketepatan pengesanan.

Idea Zacharius dikembalikan hanya pada tahun lapan puluhan. Para saintis di Universiti Stanford, diketuai oleh Steven Chu, telah menemui cara untuk merealisasikan Air Pancut Zacharius menggunakan kaedah yang mereka panggil "molase optik."

Dalam pancutan Chu cesium, awan atom cesium yang ditembakkan ke atas disejukkan terlebih dahulu oleh sistem tiga pasang laser arah balas yang mempunyai frekuensi resonans tepat di bawah resonans optik atom cesium.

Skim air pancut cesium dengan molas optik.

Atom cesium yang disejukkan dengan laser mula bergerak perlahan, seolah-olah melalui molase. Kelajuan mereka menurun kepada tiga meter sesaat. Mengurangkan kelajuan atom memberi peluang kepada penyelidik untuk mengesan keadaan dengan lebih tepat (anda mesti mengakui bahawa lebih mudah untuk melihat plat lesen kereta bergerak pada kelajuan satu kilometer sejam daripada kereta bergerak pada kelajuan seratus kilometer sejam).

Sebiji bola atom cesium yang disejukkan dilancarkan ke atas kira-kira satu meter, melepasi pandu gelombang di sepanjang jalan, yang melaluinya atom terdedah kepada medan elektromagnet frekuensi resonans. Dan pengesan sistem merekodkan perubahan keadaan atom buat kali pertama. Setelah mencapai "siling", atom yang disejukkan mula jatuh kerana graviti dan melalui pandu gelombang untuk kali kedua. Dalam perjalanan pulang, pengesan sekali lagi merekodkan keadaan mereka. Oleh kerana atom bergerak sangat perlahan, penerbangan mereka dalam bentuk awan yang agak padat mudah dikawal, yang bermaksud bahawa di dalam air pancut tidak akan ada atom yang terbang ke atas dan ke bawah pada masa yang sama.

Kemudahan air pancut cesium Chu telah diterima pakai oleh NBS sebagai standard frekuensi pada tahun 1998 dan dinamakan NIST-F1. Ralatnya ialah 4 * 10 -16, yang bermaksud bahawa NIST-F1 adalah lebih tepat daripada NIST-7 pendahulunya.

Malah, NIST-F1 mencapai had ketepatan dalam mengukur keadaan atom cesium. Tetapi saintis tidak berhenti pada kemenangan ini. Mereka memutuskan untuk menghapuskan ralat yang diperkenalkan oleh sinaran badan hitam ke dalam operasi jam atom - hasil daripada interaksi atom cesium dengan sinaran terma badan pemasangan di mana mereka bergerak. Kronograf atom NIST-F2 baharu meletakkan pancutan cesium di dalam ruang kriogenik, mengurangkan sinaran badan hitam kepada hampir sifar. Ralat NIST-F2 ialah 3*10 -17 yang luar biasa.

Graf pengurangan ralat pilihan piawai frekuensi cesium

Pada masa ini, jam atom berdasarkan air pancut cesium memberikan manusia piawaian masa yang paling tepat, berbanding dengan denyutan nadi tamadun teknologi kita. Terima kasih kepada helah kejuruteraan, maser hidrogen berdenyut yang menyejukkan atom cesium dalam versi pegun NIST-F1 dan NIST-F2 telah digantikan dengan pancaran laser konvensional yang berfungsi seiring dengan sistem magneto-optik. Ini memungkinkan untuk mencipta struktur yang padat dan sangat stabil. pengaruh luar varian piawaian NIST-Fx yang boleh berfungsi kapal angkasa. Secara imaginatif dipanggil "Jam Atom Sejuk Aeroangkasa", piawaian frekuensi ini dipasang dalam satelit sistem navigasi seperti GPS, yang memastikan penyegerakan yang menakjubkan untuk menyelesaikan masalah pengiraan yang tepat koordinat penerima GPS yang digunakan dalam alat kami.

Versi padat jam atom air pancut cesium, dipanggil "Jam Atom Sejuk Aeroangkasa", digunakan dalam satelit GPS

Pengiraan rujukan masa dilakukan oleh "ensembel" sepuluh NIST-F2 yang terletak di pelbagai pusat penyelidikan yang bekerjasama dengan NBS. Nilai tepat detik atom diperoleh secara kolektif, dengan itu menghapuskan pelbagai kesilapan dan pengaruh faktor manusia.

Walau bagaimanapun, ada kemungkinan bahawa suatu hari nanti piawaian kekerapan sesium akan dianggap oleh keturunan kita sebagai mekanisme yang sangat kasar untuk mengukur masa, sama seperti kita sekarang melihat dengan merendahkan pergerakan bandul dalam jam datuk mekanikal nenek moyang kita.

Ini adalah peranti untuk mengukur masa, prinsip operasinya berdasarkan fizik atom. Oleh kerana sifat unsur kimia yang digunakan dalam reka bentuk, ralat jam tangan ini adalah minimum. Sebagai contoh, peranti berdasarkan thorium-229 akan ketinggalan sepersepuluh saat dalam kira-kira 14 bilion tahun.

Bagaimanakah jam atom berfungsi?

Jika dalam jam tangan kuarza Kekerapan rujukan untuk menentukan yang kedua ialah bilangan getaran kristal kuarza, kemudian dalam yang atom ia diambil sebagai kekerapan peralihan elektron dalam atom unsur kimia tertentu dari satu tahap tenaga ke yang lain.

1 - Komponen elektronik (cip)

2 - Sumber nuklear

3 - Pengesan foto

4 - Pemanas atas

5 - Sel resonans

6 - Plat gelombang

7 - Pemanas bawah

8 - Laser pemancar menegak

Inilah maksudnya: atom mempunyai elektron. Mereka mempunyai tenaga. Apabila menyerap atau melepaskan tenaga, elektron melompat dari satu tahap tenaga ke tahap tenaga yang lain, menyerap atau memancarkan gelombang elektromagnet, yang kekerapannya sentiasa sama. Fenomena ini boleh dikawal: apabila atom terdedah kepada sinaran gelombang mikro, ia bertindak balas dengan bilangan getaran tertentu.

Sifat ini digunakan untuk meningkatkan ketepatan ukuran masa. Oleh itu, diakui bahawa satu saat adalah tempoh 9192631770 kitaran sinaran. Kekerapan ini sepadan dengan peralihan antara dua tahap tenaga atom cesium-133. Dengan membandingkan kekerapan ayunan pengayun kuarza dengan kekerapan peralihan atom unsur, sisihan terkecil direkodkan. Jika terdapat penyelewengan, getaran kuarza dilaraskan.

Cesium bukan satu-satunya bahan yang digunakan dalam jam atom. Peranti berdasarkan unsur kimia muncul yang boleh memberikan ketepatan yang lebih besar: ytterbium, thorium-229, strontium.

Mengapa jam atom tepat?

Kekerapan ayunan unsur kimia adalah sama, dan ini meminimumkan kemungkinan ralat. Di samping itu, tidak seperti kristal kuarza, atom tidak haus atau hilang Sifat kimia dengan masa.

Nama lain untuk jam atom: kuantum, molekul.

Jam atom adalah alat pengukur masa paling tepat yang wujud hari ini dan semakin meningkat nilai yang lebih tinggi dengan pembangunan dan kerumitan teknologi moden.

Prinsip operasi

Jam atom tidak menyimpan masa yang tepat terima kasih kepada pereputan radioaktif, seperti yang mungkin dicadangkan oleh nama mereka, tetapi menggunakan getaran nukleus dan elektron di sekelilingnya. Kekerapan mereka ditentukan oleh jisim nukleus, graviti dan "pengimbang" elektrostatik antara nukleus dan elektron bercas positif. Ini tidak sepadan dengan pergerakan jam tangan biasa. Jam atom adalah penjaga masa yang lebih dipercayai kerana ayunannya tidak berubah bergantung pada faktor tersebut persekitaran, seperti kelembapan, suhu atau tekanan.

Evolusi jam atom

Selama bertahun-tahun, saintis telah menyedari bahawa atom mempunyai frekuensi resonans yang berkaitan dengan keupayaan masing-masing untuk menyerap dan memancarkan sinaran elektromagnet. Pada tahun 1930-an dan 1940-an, peralatan komunikasi dan radar frekuensi tinggi telah dibangunkan yang boleh bersambung dengan frekuensi resonans atom dan molekul. Ini menyumbang kepada idea jam tangan.

Contoh pertama dibina pada tahun 1949 oleh Institut Piawaian dan Teknologi Kebangsaan (NIST). Ammonia digunakan sebagai sumber getaran. Walau bagaimanapun, ia tidak lebih tepat daripada piawaian masa sedia ada, dan cesium digunakan pada generasi seterusnya.

Standard baru

Perubahan dalam ketepatan pengukuran masa adalah begitu hebat sehingga pada tahun 1967 Persidangan Agung mengenai Timbang dan Sukat mentakrifkan detik SI sebagai 9,192,631,770 getaran atom cesium pada frekuensi resonansnya. Ini bermakna masa tidak lagi berkaitan dengan pergerakan Bumi. Jam atom paling stabil di dunia telah dicipta pada tahun 1968 dan digunakan sebagai sebahagian daripada sistem jaga masa NIST sehingga tahun 1990-an.

kereta penambahbaikan

Satu daripada pencapaian terkini di kawasan ini adalah penyejukan laser. Ini meningkatkan nisbah isyarat kepada hingar dan mengurangkan ketidakpastian dalam isyarat jam. Menempatkan sistem penyejukan ini dan peralatan lain yang digunakan untuk menambah baik jam cesium akan memerlukan ruang sebesar kereta api, walaupun versi komersial boleh dimuatkan dalam beg pakaian. Salah satu pemasangan makmal ini mengekalkan masa di Boulder, Colorado, dan merupakan jam paling tepat di Bumi. Mereka hanya salah sebanyak 2 nanosaat sehari, atau 1 saat setiap 1.4 juta tahun.

Teknologi yang kompleks

Ketepatan yang besar ini adalah hasil daripada kompleks proses teknologi. Pertama, cesium cecair diletakkan di dalam relau dan dipanaskan sehingga ia bertukar menjadi gas. Atom logam dihidupkan kelajuan tinggi keluar melalui lubang kecil di dalam ketuhar. Elektromagnet menyebabkan mereka berpecah kepada rasuk berasingan dengan tenaga yang berbeza. Rasuk yang diperlukan melalui lubang berbentuk U, dan atom disinari dengan tenaga gelombang mikro dengan frekuensi 9,192,631,770 Hz. Terima kasih kepada ini, mereka teruja dan beralih ke keadaan tenaga yang berbeza. Medan magnet kemudian menapis keadaan tenaga lain bagi atom.

Pengesan bertindak balas kepada cesium dan menunjukkan maksimum pada nilai frekuensi yang betul. Ini adalah perlu untuk mengkonfigurasi pengayun kuarza yang mengawal mekanisme jam. Membahagikan kekerapannya dengan 9.192.631.770 memberikan satu nadi sesaat.

Bukan sesium sahaja

Walaupun jam atom yang paling biasa menggunakan sifat cesium, terdapat jenis lain. Mereka berbeza dalam unsur yang digunakan dan cara untuk menentukan perubahan dalam tahap tenaga. Bahan lain ialah hidrogen dan rubidium. Jam atom hidrogen berfungsi sama seperti jam cesium, tetapi memerlukan bekas dengan dinding yang diperbuat daripada bahan khas yang menghalang atom daripada kehilangan tenaga terlalu cepat. Jam tangan rubidium adalah yang paling ringkas dan paling padat. Di dalamnya, sel kaca yang diisi dengan gas rubidium mengubah penyerapan cahaya apabila terdedah kepada frekuensi ultratinggi.

Siapa yang memerlukan masa yang tepat?

Hari ini, masa boleh diukur dengan ketepatan yang melampau, tetapi mengapa ini penting? Ini perlu dalam sistem seperti Telefon bimbit, Internet, GPS, program penerbangan dan televisyen digital. Pada pandangan pertama ini tidak jelas.

Contoh bagaimana masa yang tepat digunakan adalah dalam penyegerakan paket. Beribu-ribu panggilan telefon melalui talian komunikasi purata. Ini hanya mungkin kerana perbualan tidak dihantar sepenuhnya. Syarikat telekomunikasi membahagikannya kepada paket kecil dan juga melangkau beberapa maklumat. Mereka kemudian melalui baris itu bersama-sama dengan paket perbualan lain dan dipulihkan di hujung yang lain tanpa bercampur. Sistem jam pertukaran telefon boleh menentukan paket mana yang tergolong dalam perbualan tertentu dengan masa yang tepat maklumat itu dihantar.

GPS

Satu lagi pelaksanaan masa yang tepat ialah sistem kedudukan global. Ia terdiri daripada 24 satelit yang menghantar koordinat dan masa mereka. Mana-mana penerima GPS boleh menyambung kepada mereka dan membandingkan masa siaran. Perbezaannya membolehkan pengguna menentukan lokasi mereka. Jika jam ini tidak begitu tepat, maka sistem GPS akan menjadi tidak praktikal dan tidak boleh dipercayai.

Had kesempurnaan

Dengan perkembangan teknologi dan jam atom, ketidaktepatan Alam Semesta menjadi ketara. Bumi bergerak tidak sekata, menyebabkan variasi rawak dalam tempoh tahun dan hari. Pada masa lalu, perubahan ini tidak dapat disedari kerana alat untuk mengukur masa terlalu tidak tepat. Walau bagaimanapun, banyak kekecewaan penyelidik dan saintis, masa jam atom perlu diselaraskan untuk mengimbangi anomali dunia sebenar. Ia adalah alat yang menakjubkan yang membantu memajukan teknologi moden, tetapi kecemerlangannya dihadkan oleh had yang ditetapkan oleh alam semula jadi itu sendiri.