Vysoko presné atómové hodiny, ktoré urobia chybu jednej sekundy za 300 miliónov rokov. Tieto hodiny, ktoré nahradili starý model, ktorý mal jednu sekundovú chybu za sto miliónov rokov, teraz určujú štandard amerického civilného času. Lenta.ru sa rozhodla pripomenúť históriu vzniku atómových hodín.

Prvý atóm

Na vytvorenie hodín stačí použiť akýkoľvek periodický proces. A história vzniku prístrojov na meranie času je čiastočne históriou vzniku nových zdrojov energie alebo nových oscilačných systémov používaných v hodinkách. Najjednoduchšie hodiny sú pravdepodobne slnečné hodiny, ktoré na fungovanie vyžadujú iba slnko a predmet, ktorý vrhá tieň. Nevýhody tohto spôsobu určovania času sú zrejmé. Ani voda a presýpacie hodiny nie sú o nič lepšie: sú vhodné len na meranie relatívne krátkych časových úsekov.

Najstaršie mechanické hodiny boli nájdené v roku 1901 neďaleko ostrova Antikythera na potopenej lodi v Egejskom mori. Obsahujú asi 30 bronzových ozubených kolies v drevenom puzdre s rozmermi 33 x 18 x 10 centimetrov a pochádzajú z obdobia okolo roku 100 pred Kristom.

Už takmer dvetisíc rokov sú mechanické hodinky najpresnejšie a najspoľahlivejšie. Vznik klasického diela Christiana Huygensa „Pendulum Clock“ („Horologium oscilatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstracees geometrica“) v roku 1657 s popisom časového referenčného zariadenia s kyvadlom ako oscilačným systémom bol pravdepodobne vrchol v histórii vývoja mechanických zariadení tohto typu.

Astronómovia a navigátori však stále používali hviezdnu oblohu a mapy na určenie ich polohy a presného času. Prvé elektrické hodiny vynašiel v roku 1814 Francis Ronalds. Prvý takýto prístroj bol však nepresný kvôli jeho citlivosti na zmeny teploty.

Ďalšia história hodiniek je spojená s používaním rôznych oscilačných systémov v zariadeniach. Kremenné hodinky, ktoré v roku 1927 predstavili zamestnanci Bell Laboratories, využívali piezoelektrické vlastnosti kremenného kryštálu: keď boli vystavené elektrický prúd kryštál sa začne zmenšovať. Moderné kremenné chronometre dokážu dosiahnuť presnosť až 0,3 sekundy za mesiac. Keďže však kremeň podlieha starnutiu, časom sú hodinky menej presné.

S rozvojom atómovej fyziky vedci navrhli použiť častice hmoty ako oscilačné systémy. Takto sa objavili prvé atómové hodiny. Myšlienku použitia atómových vibrácií vodíka na meranie času navrhol už v roku 1879 anglický fyzik Lord Kelvin, ale to bolo možné až v polovici 20.

Reprodukcia obrazu Huberta von Herkomera (1907)

V tridsiatych rokoch minulého storočia začal americký fyzik a objaviteľ nukleárnej magnetickej rezonancie Isidore Rabi pracovať na atómových hodinách s céziom-133, ale vypuknutie vojny mu zabránilo. Už po vojne, v roku 1949, vznikli v Národnom výbore pre normy USA za účasti Harolda Lyonsona prvé molekulárne hodiny využívajúce molekuly amoniaku. Ale prvé takéto prístroje na meranie času neboli také presné ako moderné atómové hodiny.

Relatívne nízka presnosť bola spôsobená tým, že v dôsledku interakcie molekúl amoniaku medzi sebou a so stenami nádoby, v ktorej sa táto látka nachádzala, sa zmenila energia molekúl a rozšírili sa ich spektrálne čiary. Tento efekt je veľmi podobný treniu v mechanických hodinkách.

Neskôr, v roku 1955, Louis Esssen z Národného fyzikálneho laboratória Spojeného kráľovstva predstavil prvé atómové hodiny s céziom-133. Tieto hodiny nahromadili chybu jednej sekundy za milión rokov. Zariadenie dostalo názov NBS-1 a začalo sa považovať za céziový frekvenčný štandard.

Schéma zapojenia atómových hodín pozostáva z kryštálového oscilátora riadeného spätnoväzbovým diskriminátorom. Oscilátor využíva piezoelektrické vlastnosti kremeňa, zatiaľ čo diskriminátor využíva energetické vibrácie atómov, takže vibrácie kremeňa sú sledované signálmi z prechodov rôznych energetických hladín v atómoch alebo molekulách. Medzi generátorom a diskriminátorom je kompenzátor naladený na frekvenciu atómových vibrácií a porovnáva ju s frekvenciou vibrácií kryštálu.

Atómy použité v hodinách musia poskytovať stabilné vibrácie. Každá frekvencia elektromagnetického žiarenia má svoje vlastné atómy: vápnik, stroncium, rubídium, cézium, vodík. Alebo dokonca molekuly amoniaku a jódu.

časový štandard

S príchodom prístrojov na meranie atómového času bolo možné ich použiť ako univerzálny štandard na určenie druhého. Od roku 1884 greenwichský čas, považovaný za svetový štandard, ustúpil štandardu atómových hodín. V roku 1967 bola rozhodnutím 12. generálnej konferencie pre váhy a miery jedna sekunda definovaná ako trvanie 9192631770 periód žiarenia zodpovedajúcich prechodu medzi dvoma hyperjemnými úrovňami základného stavu atómu cézia-133. Táto definícia sekundy nezávisí od astronomických parametrov a môže byť reprodukovaná kdekoľvek na planéte. Cézium-133 používané v štandardných atómových hodinách je jediné stabilný izotop cézium so 100% výskytom na Zemi.

V satelitnom navigačnom systéme sa používajú aj atómové hodiny; sú potrebné na určenie presného času a súradníc satelitu. Každý satelit systému GPS má teda štyri sady takýchto hodín: dve rubídiové a dve céziové, ktoré poskytujú presnosť prenosu signálu 50 nanosekúnd. Ruské satelity systému GLONASS majú aj cézium a rubídium jadrové zariadenia merania času a na satelitoch rozvíjajúceho sa európskeho geopozičného systému Galileo ─ vodík a rubídium.

Presnosť vodíkových hodín je najvyššia. Je to 0,45 nanosekúnd za 12 hodín. Zdá sa, že používanie takýchto presných hodín systémom Galileo prinesie tento navigačný systém do popredia v roku 2015, keď bude na obežnej dráhe jeho 18 satelitov.

Kompaktné atómové hodiny

Hewlett-Packard bola prvou spoločnosťou, ktorá vyvinula kompaktné atómové hodiny. V roku 1964 vytvorila cézny nástroj HP 5060A s veľkosťou veľkého kufra. Spoločnosť pokračovala v rozvíjaní tohto smeru, no od roku 2005 predala svoju divíziu atómových hodín spoločnosti Symmetricom.

V roku 2011 Draper Laboratories a Sandia National Laboratories vyvinuli a Symmetricom vydal prvé kvantové miniatúrne atómové hodiny. V čase vydania stáli asi 15-tisíc dolárov, boli uzavreté v zapečatenom obale s rozmermi 40 x 35 x 11 milimetrov a vážili 35 gramov. Spotreba energie hodiniek bola necelých 120 miliwattov. Spočiatku boli vyvinuté na objednávku Pentagonu a mali slúžiť navigačným systémom, ktoré fungujú nezávisle od systémov GPS, napríklad hlboko pod vodou alebo na súši.

Už koncom roka 2013 americká spoločnosť Bathys Hawaii predstavila prvé „náramkové“ atómové hodiny. Ako hlavný komponent používajú čip SA.45s vyrábaný spoločnosťou Symmetricom. Vo vnútri čipu je kapsula s céziom-133. Súčasťou dizajnu hodiniek sú aj fotobunky a nízkovýkonný laser. Ten zabezpečuje ohrev plynného cézia, v dôsledku čoho sa jeho atómy začínajú pohybovať z jednej energetickej úrovne na druhú. Meranie času sa robí práve fixovaním takéhoto prechodu. Náklady na nové zariadenie sú približne 12 tisíc dolárov.

Trendy smerom k miniaturizácii, autonómii a precíznosti povedú k tomu, že v blízkej budúcnosti budú nové zariadenia využívajúce atómové hodiny vo všetkých oblastiach. ľudský život od vesmírneho výskumu na obežných satelitoch a staniciach až po domáce aplikácie v izbových a zápästných systémoch.

MOSKVA 27. októbra - RIA Novosti, Oľga Kolentsová.čo je čas? riaditeľov sci-fi filmy verte, že toto je druh dimenzie, v ktorej sa môžete pohybovať. V reálnom svete je čas určený polohou objektov v priestore. Teoreticky, ak dokážeme vrátiť každú časticu vo vesmíre do stavu a polohy, v ktorej sa v určitom okamihu nachádzala, urobíme výlet do minulosti.

Takže zatiaľ čo naše znalosti umožňujú určiť čas v závislosti od mechanických zmien prebiehajúcich vo svete. Napríklad jedna úplná rotácia Zeme okolo svojej osi určuje deň a okolo Slnka - rok. Ale ľudia majú potrebu rozdeliť deň na menšie a jasnejšie definované segmenty – hodiny, minúty, sekundy.

Na počítanie týchto jednotiek ľudia prišli so špeciálnymi zariadeniami - hodinkami. Ich história sa tiahne storočiami a spolu s technológiou rastú aj požiadavky na presnosť merania času. Ak v každodennom živote dobre vychádzame s mechanickými a elektronické hodiny, potom si veda vyžaduje oveľa presnejšie prístroje.

Základom počítania času je určitá opakovateľná udalosť, keď sa objekt po presne definovanom čase vráti do pôvodného stavu. Napríklad v mechanických hodinách sa otáčajú ozubené kolesá (alebo sa kýva kyvadlo) a v presýpacích hodinách prichádza moment, keď všetky zrnká piesku padajú na dno nádoby.

Samozrejme, moderné elektronické a mechanické hodinky sú oveľa presnejšie ako ich predchodcovia – vodné, pieskové a solárne. V niektorých oblastiach však boli potrebné ešte presnejšie mechanizmy. A ľudia vytvorili hodiny, ktoré fungujú na základe procesov prebiehajúcich vo vnútri atómu.

Ako viete, atóm pozostáva z jadra a elektrónového oblaku. Elektróny sa nachádzajú na rôznych energetických úrovniach. Čím ďalej je elektrón od jadra, tým má väčšiu energiu. Predstavte si psa priviazaného k oceľovému nosníku pevným, no napínateľným vodítkom. Čím ďalej chce ísť, tým viac potrebuje ťahať na vodítku. Samozrejme, silný veľký pes sa bude môcť pohybovať ďalej ako malý a slabý.

© AP Photo / Focke Strangmann

© AP Photo / Focke Strangmann

Pri pohybe na nižšiu úroveň elektrón energiu vyžaruje a pri pohybe na vyššiu úroveň absorbuje. „Skoky“ elektrónov možno ovládať elektromagnetickým žiarením, ktoré je zdrojom energie. Žiarenie má určitú frekvenciu. Táto hodnota je prevrátená doba oscilácie, to znamená čas potrebný na návrat objektu, ktorý vykonáva „uzavreté“ pohyby, do pôvodného stavu.

Atómové hodiny využívajú vápnik, vodík, thulium, stroncium, rubídium, tórium, jód a metán a najčastejšie cézium. Elektróny v atómových hodinách na báze cézia-133, keď sa pohybujú z jednej energetickej úrovne na druhú, emitujú elektromagnetická radiácia s frekvenciou 9 192 631 770 Hz. Práve týmto počtom intervalov sa delí sekunda v týchto prirodzených hodinách. Podľa definície, oficiálne prijatej v roku 1967 na Generálnej konferencii pre váhy a miery, je atóm cézia-133 uznávaný ako štandard na meranie času. Autenticita iných základných jednotiek fyzikálnych veličín, ako sú napríklad volty alebo watty, ktoré sa určujú časom, závisí od presnosti sekundy.

Ultra presné hodiny fungujú takto: cézium-133 sa zahrieva a niektoré atómy opúšťajú základnú látku a potom prechádzajú cez magnetické pole, ktoré odfiltruje atómy s požadovanými energetickými stavmi. Vybrané atómy prechádzajú magnetickým poľom s frekvenciou blízkou frekvencii elektromagnetického žiarenia pri prechode elektrónu z jednej úrovne na druhú v céziu-133. Atómy pod vplyvom poľa menia svoje energetické stavy a padajú na detektor, ktorý určuje moment, kedy bude mať požadovaný energetický stav najväčší počet atómov. Potom sa frekvenčná hodnota elektromagnetického poľa privádza do frekvenčného deliča, ktorý delením sekundy určí svoju jednotku. Ukazuje sa „nová sekunda“, ktorá sa považuje za štandard minimálnej jednotky času.

© RIA Novosti ilustrácia. Alina Polyanina

Akí „hodinári“ tento mimoriadne presný strojček vymysleli a zdokonalili? Existuje za neho náhrada? Skúsme na to prísť.

V roku 2012 oslávi atómové meranie času 45. výročie. V roku 1967 sa kategória času v medzinárodný systém jednotky sa začali určovať nie astronomickými stupnicami, ale céziovým frekvenčným štandardom. Bežní ľudia to nazývajú atómové hodiny.

Aký je princíp činnosti atómových oscilátorov? Ako zdroj rezonančnej frekvencie tieto „zariadenia“ využívajú kvantové energetické hladiny atómov alebo molekúl. Kvantová mechanika spája so systémom atómové jadro- elektróny "niekoľko diskrétnych energetických úrovní. Elektromagnetické pole určitej frekvencie môže vyvolať prechod tohto systému z nízkej úrovne na vyššiu. Je tiež možné reverzný jav: atóm môže prejsť z vysokej energetickej hladiny na nižšiu s emisiou energie. Oba javy možno ovládať a tieto energetické medziúrovňové skoky fixovať, čím sa vytvorí zdanie oscilačného obvodu. Rezonančná frekvencia tohto obvodu sa bude rovnať energetickému rozdielu medzi dvoma prechodovými úrovňami, vydelenému Planckovou konštantou.

Výsledný atómový oscilátor má oproti svojim astronomickým a mechanickým predchodcom nepopierateľné výhody. Rezonančná frekvencia všetkých atómov látky zvolenej pre oscilátor bude na rozdiel od kyvadiel a piezokryštálov rovnaká. Atómy sa navyše neopotrebúvajú a časom nemenia svoje vlastnosti. Ideálna voľba pre takmer večný a extrémne presný chronometer.

Prvýkrát o možnosti použitia medziúrovňových energetických prechodov v atómoch ako frekvenčného štandardu uvažoval už v roku 1879 britský fyzik William Thomson, známy ako Lord Kelvin. Navrhol použiť vodík ako zdroj atómov rezonátora. Jeho výskum však mal skôr teoretický charakter. Veda tej doby ešte nebola pripravená vyvinúť atómový chronometer.

Trvalo takmer sto rokov, kým sa myšlienka lorda Kelvina stala skutočnosťou. Bol to dlhý čas, ale ani úloha to nebola jednoduchá. Premena atómov na ideálne kyvadla sa v praxi ukázala ako náročnejšia ako v teórii. Problém bol v boji s takzvanou rezonančnou šírkou - malým kolísaním frekvencie absorpcie a emisie energie, keď sa atómy pohybujú z úrovne na úroveň. Pomer rezonančnej frekvencie k rezonančnej šírke určuje kvalitu atómového oscilátora. Je zrejmé, že čím väčšia je hodnota rezonančnej šírky, tým nižšia je kvalita atómového kyvadla. Bohužiaľ nie je možné zvýšiť rezonančnú frekvenciu pre zlepšenie kvality. Je konštantná pre atómy každej konkrétnej látky. Ale rezonančnú šírku možno zmenšiť zvýšením času pozorovania atómov.

Technicky sa to dá dosiahnuť takto: nechajte externý, napríklad kremenný, oscilátor periodicky generovať elektromagnetické žiarenie, ktoré núti atómy donorovej látky preskakovať energetické úrovne. V tomto prípade je úlohou ladičky atómového chronografu maximálne priblíženie frekvencie tohto kremenného oscilátora k rezonančnej frekvencii medziúrovňového prechodu atómov. To je možné v prípade dostatočne dlhého obdobia pozorovania oscilácií atómov a vytvorenia spätnej väzby, ktorá reguluje frekvenciu kremeňa.

Je pravda, že okrem problému zníženia rezonančnej šírky v atómovom chronografe existuje mnoho ďalších problémov. Ide o Dopplerov jav – posun rezonančnej frekvencie v dôsledku pohybu atómov, a vzájomných zrážok atómov, spôsobujúcich neplánované energetické prechody, ba dokonca vplyv všeprestupujúcej energie tmavej hmoty.

Prvýkrát sa pokúsili o praktickú implementáciu atómových hodín v tridsiatych rokoch minulého storočia vedci z Kolumbijskej univerzity pod vedením budúcnosti. kandidát na Nobelovu cenu Dr Isidore Rabi. Rabi navrhol použiť izotop cézia 133 Cs ako zdroj atómov kyvadla. Žiaľ, Rabiho prácu, ktorá NBS veľmi zaujímala, prerušila druhá svetová vojna.

Po jej skončení prešlo prvenstvo v implementácii atómového chronografu na zamestnanca NBS Harolda Lyonsa. Jeho atómový oscilátor pracoval na čpavku a dával chybu zodpovedajúcu tomu najlepšie príklady kremenné rezonátory. V roku 1949 boli širokej verejnosti demonštrované atómové hodiny s amoniakom. Napriek pomerne priemernej presnosti implementovali základné princípy budúcich generácií atómových chronografov.

Prototyp céziových atómových hodín získaný Louisom Essenom poskytoval presnosť 1 * 10 -9, pričom mal rezonančnú šírku iba 340 Hertzov.

O niečo neskôr profesor Harvardskej univerzity Norman Ramsey zlepšil myšlienky Isidora Rabiho, čím sa znížil vplyv na presnosť meraní Dopplerovho javu. Navrhol namiesto jedného dlhého vysokofrekvenčného impulzu excitujúceho atómy použiť dva krátke impulzy vysielané do ramien vlnovodu v určitej vzdialenosti od seba. To umožnilo drasticky znížiť rezonančnú šírku a vlastne umožnilo vytvoriť atómové oscilátory, ktoré sú v presnosti rádovo lepšie ako ich kremenní predkovia.

V päťdesiatych rokoch minulého storočia na základe schémy navrhnutej Normanom Ramseyom v Národnom fyzikálnom laboratóriu (Veľká Británia) jeho zamestnanec Louis Essen pracoval na atómovom oscilátore založenom na izotope cézia 133 Cs, ktorý predtým navrhol Rabi. Cézium nebolo vybrané náhodou.

Schéma hyperjemných hladín prechodu atómov izotopu cézia-133

Atómy cézia patriace do skupiny alkalických kovov sú extrémne ľahko excitované na skok medzi energetickými hladinami. Napríklad lúč svetla je ľahko schopný vyradiť prúd elektrónov z atómovej štruktúry cézia. Vďaka tejto vlastnosti je cézium široko používané vo fotodetektoroch.

Zariadenie klasického céziového oscilátora na báze Ramseyho vlnovodu

Prvý oficiálny cézny frekvenčný štandard NBS-1

Potomok NBS-1 - oscilátor NIST-7 využíval laserové čerpanie zväzku atómov cézia

Trvalo viac ako štyri roky, kým sa prototyp Essenu stal skutočným štandardom. Koniec koncov, jemné ladenie atómových hodín bolo možné len porovnaním s existujúcimi efemerídovými jednotkami času. Štyri roky bol atómový oscilátor kalibrovaný pozorovaním rotácie Mesiaca okolo Zeme pomocou najpresnejšej lunárnej kamery, ktorú vynašiel William Markowitz z amerického námorného observatória.

„Úprava“ atómových hodín na lunárne efemeridy sa vykonávala v rokoch 1955 až 1958, po ktorých bolo zariadenie oficiálne uznané NBS ako frekvenčný štandard. Bezprecedentná presnosť céziových atómových hodín navyše prinútila NBS zmeniť jednotku času v štandarde SI. Od roku 1958 bola oficiálne prijatá ako druhá „doba trvania 9 192 631 770 periód žiarenia zodpovedajúcich prechodu medzi dvoma hyperjemnými úrovňami štandardného stavu atómu izotopu cézia-133“.

Prístroj Louisa Essena dostal názov NBS-1 a bol považovaný za prvý céziový frekvenčný štandard.

Počas nasledujúcich tridsiatich rokov bolo vyvinutých šesť modifikácií NBS-1, z ktorých posledná, NIST-7, vytvorená v roku 1993 nahradením magnetov laserovými pascami, poskytuje presnosť 5 * 10 -15 s rezonančnou šírkou iba šesťdesiatdva Hertzov.

Porovnávacia tabuľka charakteristík céziových frekvenčných štandardov používaných NBS

Zariadenia NBS sú stacionárne skúšobné stolice, čo umožňuje zaradiť ich skôr medzi štandardy než medzi prakticky používané oscilátory. Ale pre čisto praktické účely spoločnosť Hewlett-Packard pracovala v prospech štandardu céziovej frekvencie. V roku 1964 vytvoril budúci počítačový gigant kompaktnú verziu céziového frekvenčného štandardu – zariadenie HP 5060A.

Frekvenčné štandardy HP 5060, kalibrované pomocou štandardov NBS, sa hodia do typického stojana rádiových zariadení a boli komerčným úspechom. Práve vďaka céziovému frekvenčnému štandardu, ktorý stanovila spoločnosť Hewlett-Packard, sa bezprecedentná presnosť atómových hodín dostala k masám.

Hewlett-Packard 5060A.

V dôsledku toho boli možné veci ako satelitná televízia a komunikácia, globálne navigačné systémy a služby synchronizácie času informačnej siete. Do priemyselného dizajnu sa dostalo mnoho aplikácií technológie atómových chronografov. Spoločnosť Hewlett-Packard sa pri tom nezastavila a neustále zlepšovala kvalitu céziových noriem a ich ukazovatele hmotnosti a veľkosti.

Rodina atómových hodín Hewlett-Packard

V roku 2005 bola divízia atómových hodín Hewlett-Packard predaná spoločnosti Simmetricom.

Spolu s céziom, ktorého zásoby v prírode sú veľmi obmedzené a dopyt po ňom v rôznych technologických oblastiach je mimoriadne vysoký, sa ako donorová látka použilo aj rubídium, ktoré sa svojimi vlastnosťami veľmi približuje céziu.

Zdá sa, že existujúca schéma atómových hodín bola dovedená k dokonalosti. Medzitým to malo nešťastnú nevýhodu, ktorej odstránenie bolo možné v druhej generácii céziových frekvenčných štandardov, nazývaných céziové fontány.

Fontány času a optická melasa

Napriek najvyššej presnosti atómového chronometra NIST-7, ktorý využíva laserovú detekciu stavu atómov cézia, sa jeho schéma zásadne nelíši od schém prvých verzií frekvenčných štandardov cézia.

ALE konštrukčná chyba Zo všetkých týchto schém je v zásade nemožné riadiť rýchlosť šírenia zväzku atómov cézia pohybujúcich sa vo vlnovode. A to aj napriek tomu, že rýchlosť pohybu atómov cézia pri izbovej teplote je sto metrov za sekundu. Celkom rýchlo.

Preto sú všetky modifikácie céziových štandardov hľadaním rovnováhy medzi veľkosťou vlnovodu, ktorý má čas pôsobiť na rýchle atómy cézia v dvoch bodoch, a presnosťou detekcie výsledkov tohto efektu. Čím menší je vlnovod, tým ťažšie je vytvoriť po sebe nasledujúce elektromagnetické impulzy ovplyvňujúce rovnaké atómy.

Čo ak však nájdeme spôsob, ako znížiť rýchlosť pohybu atómov cézia? Presne touto myšlienkou sa zaoberal študent Massachusettského technologického inštitútu Jerrold Zacharius, ktorý koncom štyridsiatych rokov minulého storočia skúmal vplyv gravitácie na správanie atómov. Neskôr, zapojený do vývoja variantu céziového frekvenčného štandardu Atomichron, Zacharius navrhol myšlienku céziovej fontány - metódy na zníženie rýchlosti atómov cézia na jeden centimeter za sekundu a zbavenie sa dvojramenného vlnovodu. tradičných atómových oscilátorov.

Zachariusov nápad bol jednoduchý. Čo ak spustíte atómy cézia vo vnútri oscilátora vertikálne? Potom tie isté atómy prejdú detektorom dvakrát: prvýkrát pri ceste nahor a druhýkrát dole, kde sa budú ponáhľať pod vplyvom gravitácie. Pohyb atómov nadol bude zároveň oveľa pomalší ako ich vzlet, pretože počas cesty vo fontáne budú strácať energiu. Žiaľ, v päťdesiatych rokoch minulého storočia Zacharius nemohol realizovať svoje predstavy. V jeho experimentálnych nastaveniach atómy pohybujúce sa nahor interagovali s tými, ktoré padali dole, čo znížilo presnosť detekcie.

Myšlienka Zachariusa sa vrátila až v osemdesiatych rokoch. Vedci zo Stanfordskej univerzity pod vedením Stevena Chua našli spôsob, ako implementovať Zachariovu fontánu pomocou techniky, ktorú nazývajú „optická melasa“.

V Chu céziovej fontáne je oblak céziových atómov vystrelených nahor predchladený systémom troch párov opačne nasmerovaných laserov s rezonančnou frekvenciou tesne pod optickou rezonanciou atómov cézia.

Schéma céziovej fontány s optickou melasou.

Atómy cézia ochladzované lasermi sa začínajú pomaly pohybovať, akoby cez melasu. Ich rýchlosť klesá na tri metre za sekundu. Zníženie rýchlosti atómov dáva výskumníkom príležitosť presnejšie zistiť stav (musíte súhlasiť, je oveľa jednoduchšie zvážiť čísla auta pohybujúceho sa rýchlosťou jeden kilometer za hodinu ako auta pohybujúceho sa rýchlosťou sto kilometrov za hodinu).

Guľa ochladených atómov cézia je vystrelená asi meter hore, pričom cestou prechádza vlnovod, cez ktorý na atómy pôsobí elektromagnetické pole s rezonančnou frekvenciou. A detektor systému po prvý raz zachytí zmenu stavu atómov. Po dosiahnutí „stropu“ ochladené atómy začnú klesať vplyvom gravitácie a prechádzajú cez vlnovod druhýkrát. Na ceste späť detektor opäť zachytí ich stav. Keďže sa atómy pohybujú extrémne pomaly, ich let v podobe pomerne hustého oblaku je ľahko ovládateľný, čo znamená, že vo fontáne nebudú lietať žiadne atómy súčasne.

Nastavenie céziovej fontány Chu prijala NBS ako frekvenčný štandard v roku 1998 a pomenovala ho NIST-F1. Jeho chyba bola 4 * 10 -16, čo znamená, že NIST-F1 bol presnejší ako jeho predchodca NIST-7.

V skutočnosti NIST-F1 dosiahol hranicu presnosti pri meraní stavu atómov cézia. Vedci sa však pri tomto víťazstve nezastavili. Rozhodli sa odstrániť chybu, ktorú do práce atómových hodín vnieslo žiarenie úplne čierneho telesa – výsledok interakcie atómov cézia s tepelným žiarením telesa zariadenia, v ktorom sa pohybujú. V novom atómovom chronografe NIST-F2 bola céziová fontána umiestnená v kryogénnej komore, čím sa žiarenie čierneho telesa znížilo takmer na nulu. Medzera chýb NIST-F2 je neuveriteľných 3*10-17.

Graf redukcie chyby variantov céziových frekvenčných noriem

V súčasnosti atómové hodiny založené na céziových fontánach dávajú ľudstvu najpresnejší štandard času, v porovnaní s ktorým bije pulz našej technogénnej civilizácie. Vďaka inžinierskym trikom boli pulzné vodíkové masery, ktoré ochladzujú atómy cézia v stacionárnych verziách NIST-F1 a NIST-F2, nahradené konvenčným laserovým lúčom spárovaným s magneto-optickým systémom. To umožnilo vytvoriť kompaktné a veľmi stabilné vonkajšie vplyvy verzie štandardov NIST-Fx schopné pracovať kozmická loď. Tieto frekvenčné štandardy, skôr obrazne pomenované „Aerospace Cold Atom Clock“, sú nastavené v satelitoch navigačných systémov, ako je GPS, čo im poskytuje úžasnú synchronizáciu na vyriešenie problému. presný výpočet súradnice GPS prijímačov používaných v našich gadgetoch.

Kompaktná verzia atómových hodín s céziovou fontánou nazývaná „Aerospace Cold Atom Clock“ sa používa v satelitoch GPS.

Výpočet referenčného času vykonáva „súbor“ desiatich NIST-F2 umiestnených v rôznych výskumných centrách spolupracujúcich s NBS. Presná hodnota atómovej sekundy sa získava hromadne a tým sa eliminujú rôzne chyby a vplyv ľudského faktora.

Je však možné, že jedného dňa budú céziový frekvenčný štandard vnímať naši potomkovia ako veľmi hrubý mechanizmus na meranie času, tak ako sa teraz blahosklonne pozeráme na pohyby kyvadla v mechanických dedových hodinách našich predkov.

Ide o zariadenia na meranie času, ktorých princíp činnosti je založený na atómovej fyzike. Vzhľadom na vlastnosti chemických prvkov použitých pri návrhu je chyba týchto hodín minimálna. Napríklad zariadenia na báze tória-229 zaostanú o desatinu sekundy približne za 14 miliárd rokov.

Ako fungujú atómové hodiny

Ak v kremenné hodinky referenčná frekvencia na určenie sekundy je počet vibrácií kryštálu kremeňa, potom sa v atóme berie ako frekvencia prechodov elektrónov v atómoch určitých chemických prvkov z jednej energetickej úrovne na druhú.

1 - Elektronický komponent (čip)

2 - Atómový zdroj

3 - Fotodetektor

4 - Horný ohrievač

5 - Rezonančná bunka

6 - Vlnová doska

7 - Spodný ohrievač

8 - Vertikálne vyžarujúci laser

Záver: Atómy majú elektróny. Majú energiu. Keď sa energia absorbuje alebo uvoľní, elektróny preskakujú z jednej energetickej úrovne na druhú, absorbujú alebo vyžarujú elektromagnetické vlny, ktorých frekvencia je vždy rovnaká. Tento jav je možné kontrolovať: keď je atóm vystavený mikrovlnnému žiareniu, reaguje určitým počtom vibrácií.

Táto vlastnosť sa používa na zlepšenie presnosti meraní času. Takže sa uznáva, že sekunda je trvanie 9192631770 cyklov žiarenia. Táto frekvencia zodpovedá prechodu medzi dvoma energetickými hladinami atómu cézia-133. Pri porovnaní frekvencie kmitov kremenného oscilátora s frekvenciou prechodov atómov prvku sa zaznamenávajú najmenšie odchýlky. V prítomnosti odchýlok sa vibrácie kremeňa prebudujú.

Atómové hodiny využívajú viac ako len cézium. Existujú zariadenia založené na chemických prvkoch, ktoré môžu poskytnúť ešte väčšiu presnosť: ytterbium, tórium-229, stroncium.

Prečo sú atómové hodiny presné

Oscilačná frekvencia chemický prvok to isté a tým sa minimalizuje možnosť chyby. Navyše, na rozdiel od kremenného kryštálu, sa atómy neopotrebúvajú a nestrácajú svoje Chemické vlastnosti s časom.

Iné názvy atómových hodín: kvantové, molekulárne.

Atómové hodiny sú dnes najpresnejšími prístrojmi na meranie času a stávajú sa čoraz obľúbenejšími. väčšiu hodnotu s vývojom a komplikáciami moderné technológie.

Princíp činnosti

Atómové hodiny neudržiavajú presný čas vďaka rádioaktívny rozpad, ako sa môže zdať z ich názvu, ale pomocou vibrácií jadier a elektrónov, ktoré ich obklopujú. Ich frekvencia je určená hmotnosťou jadra, gravitáciou a elektrostatickým „vyvažovačom“ medzi kladne nabitým jadrom a elektrónmi. To sa celkom nezhoduje s bežným hodinovým strojčekom. Atómové hodiny sú spoľahlivejšími strážcami času, pretože ich výkyvy sa v závislosti od týchto faktorov nemenia. životné prostredie ako vlhkosť, teplota alebo tlak.

Evolúcia atómových hodín

V priebehu rokov si vedci uvedomili, že atómy majú rezonančné frekvencie spojené so schopnosťou každého z nich absorbovať a vyžarovať elektromagnetické žiarenie. V 30. a 40. rokoch 20. storočia boli vyvinuté vysokofrekvenčné komunikačné a radarové zariadenia, ktoré mohli interagovať s rezonančnými frekvenciami atómov a molekúl. To prispelo k myšlienke hodiniek.

Prvé kópie postavil v roku 1949 Národný inštitút pre štandardy a technológie (NIST). Ako zdroj vibrácií bol použitý amoniak. Neboli však oveľa presnejšie ako existujúci časový štandard a v ďalšej generácii sa použilo cézium.

nový štandard

Zmena presnosti času bola taká veľká, že v roku 1967 Všeobecná konferencia pre váhy a miery definovala sekundu SI ako 9 192 631 770 vibrácií atómu cézia na jeho rezonančnej frekvencii. To znamenalo, že čas už nesúvisel s pohybom Zeme. Najstabilnejšie atómové hodiny na svete boli vytvorené v roku 1968 a až do 90. rokov sa používali ako súčasť časového referenčného systému NIST.

Vylepšovacie auto

Jeden z nedávne úspechy v tejto oblasti je laserové chladenie. Tým sa zlepšil pomer signálu k šumu a znížila sa neistota v hodinovom signáli. Tento chladiaci systém a ďalšie zariadenia používané na vylepšenie céziových hodín by si vyžadovali priestor veľkosti železničného vozňa, hoci komerčné možnosti sa zmestia do kufra. Jedno z týchto laboratórnych zariadení sleduje čas v Boulder, Colorado, a je to najpresnejšie hodiny na Zemi. Mýlia sa len o 2 nanosekundy za deň alebo 1 s za 1,4 milióna rokov.

Sofistikovaná technológia

Táto obrovská presnosť je výsledkom komplexu technologický postup. Najprv sa tekuté cézium vloží do pece a zahrieva sa, kým sa nepremení na plyn. atómy kovov na vysoká rýchlosť vyjsť cez malý otvor v rúre. Elektromagnety spôsobujú, že sa rozdelia do samostatných lúčov s rôznymi energiami. Požadovaný lúč prechádza otvorom v tvare U a atómy sú vystavené mikrovlnnej energii s frekvenciou 9 192 631 770 Hz. Vďaka tomu sú vzrušené a prechádzajú do iného energetického stavu. Magnetické pole potom odfiltruje ostatné energetické stavy atómov.

Detektor reaguje na cézium a ukazuje maximum pri správnej hodnote frekvencie. To je potrebné na nastavenie kryštálového oscilátora, ktorý riadi hodinový mechanizmus. Vydelením jeho frekvencie číslom 9.192.631.770 dostaneme jeden impulz za sekundu.

Nielen cezeň

Hoci najbežnejšie atómové hodiny využívajú vlastnosti cézia, existujú aj iné typy. Líšia sa aplikovaným prvkom a prostriedkami na určenie zmeny úrovne energie. Ďalšími materiálmi sú vodík a rubídium. Vodíkové atómové hodiny fungujú ako céziové hodiny, vyžadujú si však nádobu so stenami zo špeciálneho materiálu, ktorý bráni tomu, aby atómy príliš rýchlo strácali energiu. Hodinky Rubidium sú najjednoduchšie a najkompaktnejšie. V nich sklenená bunka naplnená plynným rubídiom mení absorpciu svetla pri vystavení mikrovlnnej frekvencii.

Kto potrebuje presný čas?

Dnes sa čas dá počítať s extrémnou presnosťou, ale prečo je to dôležité? Toto je potrebné v systémoch ako napr Mobilné telefóny, internet, GPS, letecké programy a digitálna televízia. Na prvý pohľad to nie je zrejmé.

Príkladom použitia presného času je synchronizácia paketov. Cez strednú linku idú tisícky telefonátov. Je to možné len preto, že konverzácia sa neprenáša úplne. Telekomunikačná spoločnosť ho rozdelí na malé balíčky a niektoré informácie dokonca preskočí. Potom prechádzajú cez linku spolu s paketmi iných konverzácií a sú obnovené na druhom konci bez miešania. Systém hodín telefónnej ústredne dokáže určiť, ktoré pakety patria k danej konverzácii, podľa presného času odoslania informácie.

GPS

Ďalšou implementáciou presného času je globálny polohovací systém. Pozostáva z 24 satelitov, ktoré vysielajú svoje súradnice a čas. Dokáže sa k nim pripojiť akýkoľvek GPS prijímač a porovnávať vysielacie časy. Rozdiel umožňuje používateľovi určiť svoju polohu. Ak by tieto hodiny neboli veľmi presné, potom by systém GPS bol nepraktický a nespoľahlivý.

Hranica dokonalosti

S rozvojom technológie a atómových hodín boli nepresnosti vesmíru badateľné. Zem sa pohybuje nerovnomerne, čo vedie k náhodným výkyvom v dĺžke rokov a dní. V minulosti by tieto zmeny zostali nepovšimnuté, pretože nástroje na meranie času boli príliš nepresné. Na veľké zdesenie výskumníkov a vedcov sa však čas atómových hodín musí upraviť, aby sa kompenzovali anomálie. reálny svet. Sú to úžasné nástroje na napredovanie moderných technológií, no ich dokonalosť je obmedzená limitmi, ktoré stanovuje samotná príroda.