الساعة الذرية: جهاز لقياس الوقت بالأقمار الصناعية وأنظمة الملاحة.

شهد العام الماضي، 2012، مرور خمسة وأربعين عامًا منذ أن قررت البشرية استخدام ضبط الوقت الذري لقياس الوقت بأكبر قدر ممكن من الدقة. في عام 1967، توقف تحديد الفئة الزمنية الدولية بواسطة المقاييس الفلكية - وتم استبدالها بمعيار تردد السيزيوم. كان هو الذي حصل على الاسم الشائع الآن - الساعة الذرية. الوقت الدقيق الذي تسمح بتحديده يحتوي على خطأ بسيط قدره ثانية واحدة لكل ثلاثة ملايين سنة، مما يسمح باستخدامها كمعيار زمني في أي ركن من أركان العالم.

قليلا من التاريخ

تم التعبير عن فكرة استخدام الاهتزازات الذرية لقياس الوقت بدقة فائقة لأول مرة في عام 1879 من قبل الفيزيائي البريطاني ويليام طومسون. اقترح هذا العالم استخدام الهيدروجين كباعث لذرات الرنان. المحاولات الأولى لتطبيق الفكرة تمت فقط في الأربعينيات. القرن العشرين. ظهرت أول ساعة ذرية عاملة في العالم عام 1955 في بريطانيا العظمى. كان منشئهم هو الفيزيائي التجريبي البريطاني الدكتور لويس إيسن. عملت هذه الساعات على أساس اهتزازات ذرات السيزيوم 133، وبفضلها تمكن العلماء أخيرًا من قياس الوقت بدقة أكبر بكثير من ذي قبل. سمح جهاز إيسن الأول بخطأ لا يزيد عن ثانية واحدة لكل مائة عام، لكنه زاد بعد ذلك عدة مرات ويمكن أن يتراكم الخطأ في الثانية فقط خلال 2-3 مائة مليون سنة.

ساعة ذرية: مبدأ التشغيل

كيف يعمل هذا "الجهاز" الذكي؟ تستخدم الساعات الذرية الجزيئات أو الذرات على المستوى الكمي كمولد تردد رنين. ينشئ اتصالاً بين نظام "النواة الذرية - الإلكترونات" والعديد من مستويات الطاقة المنفصلة. إذا تأثر مثل هذا النظام بتردد محدد بدقة، فسوف ينتقل هذا النظام من مستوى منخفضإلى الأعلى. ومن الممكن أيضا عملية عكسية: انتقال الذرة من أكثر مستوى عالإلى انخفاض، يرافقه انبعاث الطاقة. يمكن التحكم في هذه الظواهر وتسجيل جميع قفزات الطاقة عن طريق إنشاء شيء يشبه الدائرة التذبذبية (وتسمى أيضًا المذبذب الذري). سوف يتوافق تردد الرنين مع فرق الطاقة بين مستويات التحول الذري المجاورة، مقسومًا على ثابت بلانك.

تتمتع هذه الدائرة التذبذبية بمزايا لا يمكن إنكارها مقارنة بأسلافها الميكانيكية والفلكية. بالنسبة لأحد هذه المذبذبات الذرية، سيكون تردد الرنين لذرات أي مادة هو نفسه، وهو ما لا يمكن قوله عن البندول والبلورات الضغطية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الذرات لا تتغير خصائصها بمرور الوقت ولا تبلى. ولذلك، فإن الساعات الذرية دقيقة للغاية وهي تقريبًا كرونومترات دائمة.

دقة الوقت والتقنيات الحديثة

شبكات الاتصالات، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وخوادم NTP، والمعاملات الإلكترونية في البورصة، ومزادات الإنترنت، وإجراءات شراء التذاكر عبر الإنترنت - كل هذه الظواهر والعديد من الظواهر الأخرى راسخة في حياتنا منذ فترة طويلة. ولكن إذا لم تخترع البشرية الساعات الذرية، فإن كل هذا ببساطة لم يكن ليحدث. الوقت الدقيق، والتزامن الذي يسمح لك بتقليل أي أخطاء وتأخير وتأخير، يسمح للشخص بتحقيق أقصى استفادة من هذا المورد الذي لا يقدر بثمن والذي لا يوجد الكثير منه على الإطلاق.

انتشر ضجة كبيرة في جميع أنحاء العالم العلمي - الوقت يتبخر من كوننا! حتى الآن هذه مجرد فرضية لعلماء الفيزياء الفلكية الإسبان. لكن حقيقة أن تدفق الوقت على الأرض وفي الفضاء مختلف قد أثبته العلماء بالفعل. يتدفق الوقت بشكل أبطأ تحت تأثير الجاذبية، ويتسارع مع تحركه بعيدًا عن الكوكب. مهمة مزامنة الأرضية و الوقت الكونيتنفيذ معايير تردد الهيدروجين، والتي تسمى أيضًا "الساعات الذرية".

وظهر الزمن الذري الأول مع ظهور رواد الفضاء، حيث ظهرت الساعات الذرية في منتصف العشرينيات. في أيامنا هذه، أصبحت الساعات الذرية شيئا يوميا؛ ويستخدمها كل منا يوميا: وتعمل بمساعدتها الاتصالات الرقمية، وجلوناس، والملاحة، والنقل.

أصحاب الهواتف المحمولةإنهم بالكاد يفكرون في العمل المعقد الذي يتم تنفيذه في الفضاء من أجل مزامنة زمنية صارمة، ومع ذلك فنحن نتحدث فقط عن أجزاء من المليون من الثانية.

يتم تخزين معيار الوقت المحدد في منطقة موسكو، في المعهد العلميالقياسات الفيزيائية التقنية والراديوتقنية. هناك 450 ساعة من هذا القبيل في العالم.

تحتكر روسيا والولايات المتحدة الساعات الذرية، لكن الساعات في الولايات المتحدة الأمريكية تعمل على أساس السيزيوم، وهو معدن مشع ضار جدًا بالبيئة، وفي روسيا، على أساس الهيدروجين، وهو مادة أكثر أمانًا ومتانة.

لا تحتوي هذه الساعة على قرص أو عقارب: فهي تبدو وكأنها برميل كبير من المعادن النادرة والقيمة، مملوءة بأحدث التقنيات - أدوات قياس عالية الدقة ومعدات ذات معايير ذرية. عملية إنشائها طويلة جدًا ومعقدة وتتم في ظروف من العقم المطلق.

منذ 4 سنوات، كانت الساعة المثبتة على القمر الصناعي الروسي تدرس الطاقة المظلمة. وفقًا للمعايير البشرية، فإنها تفقد الدقة بمقدار ثانية واحدة على مدى ملايين السنين.

قريبًا جدًا، سيتم تركيب ساعات ذرية على Spektr-M، وهو مرصد فضائي سيشاهد كيف تتشكل النجوم والكواكب الخارجية، وينظر إلى ما هو أبعد من الحافة الثقب الأسودفي وسط مجرتنا. وفقًا للعلماء، بسبب الجاذبية الهائلة، يتدفق الوقت هنا ببطء شديد لدرجة أنه يتوقف تقريبًا.

tvroscosmos

من هم "صانعو الساعات" الذين اخترعوا هذه الآلية الدقيقة للغاية وأتقنوها؟ فهل هناك بديل له؟ دعونا نحاول معرفة ذلك.

في عام 2012، سيحتفل نظام ضبط الوقت الذري بالذكرى الخامسة والأربعين لتأسيسه. في عام 1967، بدأ تحديد فئة الوقت في النظام الدولي للوحدات ليس من خلال المقاييس الفلكية، ولكن من خلال معيار تردد السيزيوم. وهذا ما يسميه عامة الناس الساعة الذرية.

ما هو مبدأ تشغيل المذبذبات الذرية؟ تستخدم هذه "الأجهزة" مستويات الطاقة الكمومية للذرات أو الجزيئات كمصدر لتردد الرنين. تربط ميكانيكا الكم عدة مستويات طاقة منفصلة بنظام "النواة الذرية - الإلكترونات". يمكن للمجال الكهرومغناطيسي بتردد معين أن يؤدي إلى انتقال هذا النظام من مستوى منخفض إلى مستوى أعلى. الظاهرة المعاكسة ممكنة أيضًا: يمكن للذرة أن تنتقل من مستوى طاقة مرتفع إلى مستوى أقل عن طريق انبعاث الطاقة. يمكن التحكم في كلتا الظاهرتين ويمكن تسجيل هذه القفزات بين مستويات الطاقة، وبالتالي خلق ما يشبه الدائرة التذبذبية. تردد الرنين لهذه الدائرة سيكون مساوياً لفرق الطاقة بين مستويي الانتقال مقسوماً على ثابت بلانك.

يتمتع المذبذب الذري الناتج بمزايا لا شك فيها مقارنة بأسلافه الفلكية والميكانيكية. سيكون تردد الرنين لجميع ذرات المادة المختارة للمذبذب، على عكس البندول والبلورات الضغطية، هو نفسه. بالإضافة إلى ذلك، فإن الذرات لا تبلى ولا تتغير خصائصها بمرور الوقت. مثالية للكرونومتر الأبدي والدقيق للغاية.

لأول مرة، تم النظر في إمكانية استخدام تحولات الطاقة بين المستويات في الذرات كمعيار للتردد في عام 1879 من قبل الفيزيائي البريطاني ويليام طومسون، المعروف باسم اللورد كلفن. واقترح استخدام الهيدروجين كمصدر لذرات الرنان. ومع ذلك، كان بحثه نظريا إلى حد ما في الطبيعة. لم يكن العلم في ذلك الوقت جاهزًا بعد لتطوير الكرونومتر الذري.

لقد استغرق الأمر ما يقرب من مائة عام حتى تؤتي فكرة اللورد كلفن ثمارها. لقد مر وقت طويل، لكن المهمة لم تكن سهلة. تبين أن تحويل الذرات إلى بندولات مثالية أصعب من الناحية العملية منه من الناحية النظرية. تكمن الصعوبة في المعركة مع ما يسمى بعرض الرنين - وهو تقلب بسيط في تردد امتصاص وانبعاث الطاقة عندما تتحرك الذرات من مستوى إلى آخر. تحدد نسبة تردد الرنين إلى عرض الرنين جودة المذبذب الذري. ومن الواضح أنه كلما زادت قيمة عرض الرنين، انخفضت جودة البندول الذري. ولسوء الحظ، ليس من الممكن زيادة تردد الرنين لتحسين الجودة. وهو ثابت بالنسبة لذرات كل مادة محددة. ولكن يمكن تقليل عرض الرنين عن طريق زيادة زمن مراقبة الذرات.

من الناحية الفنية، يمكن تحقيق ذلك على النحو التالي: دع مذبذبًا خارجيًا، على سبيل المثال الكوارتز، يولد بشكل دوري إشعاعًا كهرومغناطيسيًا، مما يتسبب في قفز ذرات المادة المانحة عبر مستويات الطاقة. في هذه الحالة، تتمثل مهمة موالف الكرونوغراف الذري في تقريب تردد مذبذب الكوارتز هذا قدر الإمكان من تردد الرنين للانتقال بين المستويات للذرات. يصبح هذا ممكنًا في حالة مراقبة الاهتزازات الذرية والخلق لفترة طويلة بما فيه الكفاية تعليق، تنظيم تردد الكوارتز.

صحيح، بالإضافة إلى مشكلة تقليل عرض الرنين في الكرونوغراف الذري، هناك الكثير من المشاكل الأخرى. هذا هو تأثير دوبلر - وهو تحول في تردد الرنين بسبب حركة الذرات، والاصطدامات المتبادلة للذرات، مما يسبب تحولات طاقة غير مخطط لها، وحتى تأثير الطاقة المنتشرة للمادة المظلمة.

محاولة المرة الأولى التنفيذ العمليتم إنشاء الساعة الذرية في ثلاثينيات القرن الماضي على يد علماء جامعة كولومبيا بقيادة المستقبل حائز على جائزة نوبلدكتور إيسيدور ربيع. اقترح ربيع استخدام نظير السيزيوم 133Cs كمصدر لذرات البندول. لسوء الحظ، توقف عمل ربيع، الذي أثار اهتمامًا كبيرًا لدى NBS، بسبب الحرب العالمية الثانية.

بعد اكتماله، انتقلت زمام المبادرة في تنفيذ الكرونوغراف الذري إلى موظف NBS هارولد ليونز. تم تشغيل مذبذبه الذري على الأمونيا وأعطى خطأ مشابهًا لأفضل أمثلة رنانات الكوارتز. في عام 1949، تم عرض الساعة الذرية للأمونيا لعامة الناس. على الرغم من الدقة المتواضعة إلى حد ما، فقد طبقوا المبادئ الأساسية للأجيال القادمة من الكرونوغرافات الذرية.

قدم النموذج الأولي لساعة السيزيوم الذرية التي حصل عليها لويس إيسن دقة تبلغ 1*10 -9، في حين يبلغ عرض الرنين 340 هرتز فقط

وبعد ذلك بقليل، قام نورمان رامزي، الأستاذ في جامعة هارفارد، بتحسين أفكار إيسيدور رابي، مما قلل من تأثير تأثير دوبلر على دقة القياسات. واقترح، بدلاً من ذرات مثيرة نبضية طويلة عالية التردد، استخدام ذرتين قصيرتين يتم إرسالهما إلى أذرع الدليل الموجي على مسافة معينة من بعضهما البعض. هذا جعل من الممكن تقليل عرض الرنين بشكل حاد وجعل من الممكن في الواقع إنشاء مذبذبات ذرية تفوق دقة أسلافها من الكوارتز.

في خمسينيات القرن الماضي، واستنادًا إلى المخطط الذي اقترحه نورمان رمزي، في المختبر الفيزيائي الوطني (المملكة المتحدة)، عمل موظفه لويس إيسن على مذبذب ذري يعتمد على نظير السيزيوم 133 Cs الذي اقترحه رابي سابقًا. ولم يتم اختيار السيزيوم بالصدفة.

مخطط مستويات الانتقال فائق الدقة لذرات نظير السيزيوم -133

تنتمي ذرات السيزيوم إلى مجموعة الفلزات القلوية، ومن السهل للغاية تحفيزها للقفز بين مستويات الطاقة. على سبيل المثال، يمكن لشعاع من الضوء أن يطرد بسهولة تدفق الإلكترونات من البنية الذرية للسيزيوم. وبسبب هذه الخاصية يتم استخدام السيزيوم على نطاق واسع في أجهزة الكشف الضوئي.

تصميم مذبذب السيزيوم الكلاسيكي المعتمد على دليل موجة رامزي

أول معيار رسمي لتردد السيزيوم NBS-1

سليل NBS-1 - استخدم مذبذب NIST-7 ضخ الليزر لحزمة من ذرات السيزيوم

لكي يصبح نموذج إيسن الأولي معيارًا حقيقيًا، فقد استغرق الأمر أكثر من أربع سنوات. ففي نهاية المطاف، لم يكن الضبط الدقيق للساعات الذرية ممكنًا إلا من خلال المقارنة مع وحدات الوقت الموجودة في التقويم الفلكي. على مدار أربع سنوات، تمت معايرة المذبذب الذري من خلال مراقبة دوران القمر حول الأرض باستخدام كاميرا قمرية دقيقة اخترعها ويليام ماركويتز من المرصد البحري الأمريكي.

تم إجراء "تعديل" الساعات الذرية على التقويم الفلكي القمري في الفترة من 1955 إلى 1958، وبعد ذلك تم الاعتراف بالجهاز رسميًا من قبل NBS كمعيار تردد. علاوة على ذلك، دفعت الدقة غير المسبوقة للساعات الذرية للسيزيوم مكتب الإحصاء الوطني إلى تغيير وحدة الوقت في معيار النظام الدولي للوحدات (SI). منذ عام 1958، تم اعتماد الثانية رسميًا على أنها "مدة 9,192,631,770 فترة من الإشعاع المقابلة للانتقال بين مستويين فائقي الدقة من الحالة القياسية لذرة نظير السيزيوم 133".

تم تسمية جهاز لويس إيسن باسم NBS-1 وكان يعتبر أول معيار لتردد السيزيوم.

على مدار الثلاثين عامًا التالية، تم تطوير ستة تعديلات على NBS-1، أحدثها NIST-7، الذي تم إنشاؤه في عام 1993 عن طريق استبدال المغناطيس بمصائد الليزر، ويوفر دقة تبلغ 5 * 10 -15 مع عرض رنان يبلغ ستين فقط - اثنان هيرتز.

جدول مقارنة خصائص معايير تردد السيزيوم المستخدمة من قبل NBS

أجهزة NBS عبارة عن حوامل ثابتة، مما يسمح بتصنيفها كمقاييس بدلاً من المذبذبات المستخدمة عمليًا. ولكن لأغراض عملية بحتة، عملت شركة هيوليت باكارد لصالح معيار تردد السيزيوم. في عام 1964، أنشأ عملاق الكمبيوتر المستقبلي نسخة مدمجة من معيار تردد السيزيوم - جهاز HP 5060A.

تمت معايرتها باستخدام معايير NBS، وتتلاءم معايير التردد HP 5060 مع حامل معدات الراديو النموذجي وحققت نجاحًا تجاريًا. بفضل معيار تردد السيزيوم الذي وضعته شركة Hewlett-Packard، انتشرت الدقة غير المسبوقة للساعات الذرية على نطاق واسع.

هيوليت باكارد 5060A.

ونتيجة لذلك، أصبحت أشياء مثل القنوات الفضائية والاتصالات وأنظمة الملاحة العالمية وخدمات مزامنة الوقت لشبكة المعلومات ممكنة. كان هناك العديد من التطبيقات لتكنولوجيا الكرونوغراف الذري الصناعية. وفي الوقت نفسه، لم تتوقف شركة Hewlett-Packard عند هذا الحد، فهي تعمل باستمرار على تحسين جودة معايير السيزيوم ووزنها وأبعادها.

عائلة هيوليت باكارد للساعات الذرية

في عام 2005، تم بيع قسم الساعة الذرية لشركة Hewlett-Packard لشركة Simmetricom.

جنبا إلى جنب مع السيزيوم، احتياطياته محدودة للغاية في الطبيعة، والطلب عليه في مجموعة متنوعة من المجالات التكنولوجية مرتفع للغاية، تم استخدام الروبيديوم، الذي تكون خصائصه قريبة جدا من السيزيوم، كمادة مانحة.

يبدو انه، المخطط الحاليلقد تم تحسين الساعات الذرية إلى حد الكمال. وفي الوقت نفسه، كان لها عيب مزعج، حيث أصبح القضاء عليه ممكنًا في الجيل الثاني من معايير تردد السيزيوم، والتي تسمى نوافير السيزيوم.

ينابيع الزمن والدبس البصري

على الرغم من الدقة العالية للكرونومتر الذري NIST-7، الذي يستخدم الكشف بالليزر عن حالة ذرات السيزيوم، إلا أن تصميمه لا يختلف جوهريًا عن تصميمات الإصدارات الأولى من معايير تردد السيزيوم.

ومن عيوب تصميم كل هذه المخططات أنه من المستحيل التحكم في سرعة انتشار حزمة من ذرات السيزيوم تتحرك في الدليل الموجي. وذلك على الرغم من أن سرعة حركة ذرات السيزيوم في درجة حرارة الغرفة تبلغ مائة متر في الثانية. سريع جدا.

ولهذا فإن جميع تعديلات معايير السيزيوم هي عبارة عن بحث عن التوازن بين حجم الدليل الموجي الذي لديه الوقت للتأثير على ذرات السيزيوم السريعة عند نقطتين، ودقة اكتشاف نتائج هذا التأثير. كلما كان الدليل الموجي أصغر، كلما زادت صعوبة إحداث نبضات كهرومغناطيسية متتالية تؤثر على نفس الذرات.

ماذا لو وجدنا طريقة لتقليل سرعة ذرات السيزيوم؟ وكانت هذه الفكرة هي التي شغلت جيرولد زخاريوس، طالب معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الذي درس تأثير الجاذبية على سلوك الذرات في أواخر الأربعينيات من القرن الماضي. في وقت لاحق، شارك زكاريوس في تطوير متغير لمعيار تردد السيزيوم أتوميكرون، واقترح فكرة نافورة السيزيوم - وهي طريقة لتقليل سرعة ذرات السيزيوم إلى سنتيمتر واحد في الثانية والتخلص من الدليل الموجي المزدوج المسلح من المذبذبات الذرية التقليدية.

كانت فكرة زكريا بسيطة. ماذا لو قمت بإطلاق ذرات السيزيوم عموديًا داخل المذبذب؟ بعد ذلك، ستمر نفس الذرات عبر الكاشف مرتين: مرة أثناء صعودها، ومرة ​​أخرى لأسفل، حيث ستندفع تحت تأثير الجاذبية. في هذه الحالة، ستكون الحركة الهبوطية للذرات أبطأ بكثير من إقلاعها، لأنها ستفقد الطاقة أثناء رحلتها في النافورة. ولسوء الحظ، في الخمسينيات من القرن الماضي، لم يتمكن زخاريوس من تحقيق أفكاره. وفي إعداده التجريبي، تفاعلت الذرات التي تتحرك إلى الأعلى مع الذرات التي تسقط إلى الأسفل، مما أربك دقة الكشف.

ولم تعاد فكرة زخاريوس إلا في الثمانينات. وقد وجد العلماء في جامعة ستانفورد، بقيادة ستيفن تشو، طريقة لتحقيق نافورة زكاريوس باستخدام طريقة يسمونها "دبس السكر البصري".

في نافورة تشو السيزيوم، يتم تبريد سحابة من ذرات السيزيوم التي يتم إطلاقها إلى الأعلى مسبقًا بواسطة نظام مكون من ثلاثة أزواج من أشعة الليزر ذات الاتجاه المعاكس والتي لها تردد رنين أقل بقليل من الرنين البصري لذرات السيزيوم.

مخطط لنافورة السيزيوم مع دبس السكر البصري.

تبدأ ذرات السيزيوم المبردة بالليزر في التحرك ببطء، كما لو كانت من خلال دبس السكر. تنخفض سرعتها إلى ثلاثة أمتار في الثانية. إن تقليل سرعة الذرات يمنح الباحثين الفرصة لاكتشاف الحالات بشكل أكثر دقة (يجب أن تعترف أنه من الأسهل بكثير رؤية لوحات ترخيص سيارة تتحرك بسرعة كيلومتر واحد في الساعة مقارنة بسيارة تتحرك بسرعة مائة) كيلومترا في الساعة).

يتم إطلاق كرة من ذرات السيزيوم المبردة إلى أعلى حوالي متر، مروراً بدليل موجي على طول الطريق، حيث تتعرض الذرات من خلاله لمجال كهرومغناطيسي ذي تردد رنين. ويقوم كاشف النظام بتسجيل التغير في حالة الذرات لأول مرة. وبعد وصولها إلى "السقف"، تبدأ الذرات المبردة بالسقوط بسبب الجاذبية وتمر عبر الدليل الموجي مرة أخرى. وفي طريق العودة، يسجل الكاشف حالتهم مرة أخرى. نظرًا لأن الذرات تتحرك ببطء شديد، فمن السهل التحكم في طيرانها على شكل سحابة كثيفة إلى حد ما، مما يعني أنه في النافورة لن تكون هناك ذرات تطير لأعلى ولأسفل في نفس الوقت.

تم اعتماد منشأة نافورة السيزيوم في Chu بواسطة NBS كمعيار تردد في عام 1998 وأطلق عليها اسم NIST-F1. كان خطأه 4 * 10 -16، مما يعني أن NIST-F1 كان أكثر دقة من سابقه NIST-7.

في الواقع، وصل NIST-F1 إلى الحد الأقصى من الدقة في قياس حالة ذرات السيزيوم. لكن العلماء لم يتوقفوا عند هذا النصر. قرروا إزالة الخطأ الذي يحدثه إشعاع الجسم الأسود في تشغيل الساعات الذرية - نتيجة تفاعل ذرات السيزيوم مع الإشعاع الحراري لجسم التركيب الذي تتحرك فيه. وضع الكرونوغراف الذري NIST-F2 الجديد نافورة سيزيوم في غرفة مبردة، مما أدى إلى تقليل إشعاع الجسم الأسود إلى الصفر تقريبًا. خطأ NIST-F2 هو خطأ لا يصدق 3*10 -17.

رسم بياني لتقليل الخطأ في الخيارات القياسية لتردد السيزيوم

حاليًا، توفر الساعات الذرية المبنية على نوافير السيزيوم للبشرية معيارًا دقيقًا للوقت، مقارنة بنبض حضارتنا التكنولوجية. بفضل الحيل الهندسية، تم استبدال أجهزة صهر الهيدروجين النبضية التي تعمل على تبريد ذرات السيزيوم في الإصدارات الثابتة من NIST-F1 وNIST-F2 بجهاز تقليدي. شعاع الليزر، تعمل جنبا إلى جنب مع نظام مغناطيسي بصري. هذا جعل من الممكن إنشاء هياكل مدمجة ومستقرة للغاية. تأثيرات خارجيةمتغيرات معايير NIST-Fx التي يمكن أن تعمل في المركبات الفضائية. تسمى بشكل خيالي "Aerospace Cold Atom Clock"، يتم تثبيت معايير التردد هذه في الأقمار الصناعية لأنظمة الملاحة مثل GPS، مما يضمن تزامنها المذهل لحل مشكلة الحساب الدقيق للغاية لإحداثيات أجهزة استقبال GPS المستخدمة في أدواتنا.

يتم استخدام نسخة مدمجة من الساعة الذرية لنافورة السيزيوم، تسمى "Aerospace Cold Atom Clock"، في الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)

يتم إجراء الحساب المرجعي الزمني بواسطة "مجموعة" مكونة من عشرة أجهزة NIST-F2 موجودة في مراكز بحث مختلفة تتعاون مع NBS. ويتم الحصول على القيمة الدقيقة للثانية الذرية بشكل جماعي، وبالتالي القضاء على الأخطاء المختلفة وتأثير العامل البشري.

ومع ذلك، فمن الممكن أن ينظر أحفادنا إلى معيار تردد السيزيوم في يوم من الأيام باعتباره آلية بدائية للغاية لقياس الوقت، تمامًا كما ننظر الآن باستعلاء إلى حركات البندول في ساعات الجد الميكانيكية لأسلافنا.

كثيرًا ما نسمع العبارة التي تظهرها الساعات الذرية دائمًا الوقت بالضبط. لكن من الصعب أن نفهم من اسمها سبب كون الساعات الذرية هي الأكثر دقة أو كيفية عملها.

فمجرد احتواء الاسم على كلمة "ذرية" لا يعني أن الساعة تشكل خطراً على الحياة، حتى ولو كانت أفكار قنبلة ذريةأو محطة الطاقة النووية. في هذه الحالة، نحن نتحدث فقط عن مبدأ تشغيل الساعة. إذا كانت الحركات التذبذبية في الساعة الميكانيكية العادية تتم بواسطة التروس ويتم حساب حركاتها، ففي الساعة الذرية يتم حساب تذبذبات الإلكترونات داخل الذرات. لفهم مبدأ التشغيل بشكل أفضل، دعونا نتذكر فيزياء الجسيمات الأولية.

جميع المواد في عالمنا مصنوعة من الذرات. تتكون الذرات من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. تتحد البروتونات والنيوترونات مع بعضها البعض لتشكل نواة، والتي تسمى أيضًا نواة. تتحرك الإلكترونات حول النواة، والتي يمكن أن تكون عند مستويات طاقة مختلفة. والشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أنه عند امتصاص الطاقة أو إطلاقها، يمكن للإلكترون أن ينتقل من مستوى الطاقة الخاص به إلى مستوى أعلى أو أقل. يمكن للإلكترون الحصول على الطاقة من الإشعاع الكهرومغناطيسي، حيث يمتص أو ينبعث إشعاع كهرومغناطيسي بتردد معين مع كل انتقال.

غالبًا ما تكون هناك ساعات تستخدم فيها ذرات عنصر السيزيوم -133 للتغيير. إذا كان في 1 ثانية البندول ساعة عاديةيقوم بحركة تذبذبية واحدة، ثم الإلكترونات في الساعات الذريةبناءً على السيزيوم 133، عند الانتقال من مستوى طاقة إلى آخر، فإنها تنبعث منها إشعاعات كهرومغناطيسية بتردد 9192631770 هرتز. وتبين أن الثانية الواحدة مقسمة إلى هذا العدد من الفترات بالضبط إذا تم حسابها بالساعات الذرية. وقد تم اعتماد هذه القيمة رسميًا من قبل المجتمع الدولي في عام 1967. تخيل قرصًا ضخمًا لا يحتوي على 60 قسمًا، بل 9192631770 قسمًا، والتي تشكل ثانية واحدة فقط. ليس من المستغرب أن تكون الساعات الذرية دقيقة للغاية ولها عدد من المزايا: الذرات لا تخضع للشيخوخة، ولا تبلى، وسيكون تردد التذبذب دائمًا هو نفسه بالنسبة لعنصر كيميائي واحد، وبفضل ذلك من الممكن قارن بشكل متزامن، على سبيل المثال، قراءات الساعات الذرية البعيدة في الفضاء وعلى الأرض، دون خوف من الأخطاء.

بفضل الساعات الذرية، تمكنت البشرية من التحقق عمليا من صحة النظرية النسبية والتأكد من أنها أفضل مما هي عليه على الأرض. يتم تثبيت الساعات الذرية على العديد من الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية، ويتم استخدامها لاحتياجات الاتصالات السلكية واللاسلكية الاتصالات المتنقلة، يتم استخدامها لمقارنة الوقت المحدد على الكوكب بأكمله. بدون مبالغة، بفضل اختراع الساعات الذرية، تمكنت البشرية من دخول عصر التكنولوجيا العالية.

كيف تعمل الساعات الذرية؟

يتم تسخين السيزيوم-133 عن طريق تبخير ذرات السيزيوم، والتي يتم تمريرها عبر مجال مغناطيسي، حيث يتم اختيار الذرات ذات حالات الطاقة المطلوبة.

ثم تمر الذرات المختارة عبر مجال مغناطيسي بتردد قريب من 9192631770 هرتز، والذي يتم إنشاؤه بواسطة مذبذب الكوارتز. تحت تأثير المجال، تغير ذرات السيزيوم حالات الطاقة مرة أخرى وتقع على كاشف يسجل متى أكبر عددسيكون للذرات الواردة حالة الطاقة "الصحيحة". الحد الأقصى للمبلغتشير الذرات ذات حالة الطاقة المتغيرة إلى أن تردد مجال الميكروويف تم تحديده بشكل صحيح، ومن ثم يتم إدخال قيمته في جهاز إلكتروني - مقسم التردد، الذي يقلل التردد بعدد صحيح من المرات، ويستقبل الرقم 1، وهو المرجع الثاني.

وبالتالي، يتم استخدام ذرات السيزيوم للتحقق من التردد الصحيح للمجال المغناطيسي الناتج عن المذبذب البلوري، مما يساعد على الحفاظ عليه عند قيمة ثابتة.

هذا مثير للاهتمام: على الرغم من أن الساعات الذرية الحالية دقيقة بشكل غير مسبوق ويمكن أن تعمل لملايين السنين دون أخطاء، إلا أن الفيزيائيين لن يتوقفوا عند هذا الحد. استخدام ذرات مختلفة العناصر الكيميائيةإنهم يعملون باستمرار على تحسين دقة الساعات الذرية. ومن أحدث الاختراعات الساعة الذرية السترونتيوم، وهي أكثر دقة بثلاث مرات من نظيرتها السيزيوم. ولكي يتخلفوا عن الركب لمدة ثانية واحدة فقط، سيحتاجون إلى 15 مليار سنة، وهو وقت يتجاوز عمر الكون.

إذا وجدت خطأ، يرجى تحديد جزء من النص والنقر عليه السيطرة + أدخل.

اقترح إيزيدور رابي، أستاذ الفيزياء بجامعة كولومبيا، مشروعًا لم يسبق له مثيل: ساعة تعمل على مبدأ الشعاع الذري للرنين المغناطيسي. حدث هذا في عام 1945، وفي عام 1949 أصدر المكتب الوطني للمعايير أول نموذج أولي للعمل. يقرأ اهتزازات جزيء الأمونيا. دخل السيزيوم حيز الاستخدام بعد ذلك بكثير: ظهر نموذج NBS-1 فقط في عام 1952.

أنشأ المختبر الفيزيائي الوطني في إنجلترا أول ساعة تعمل بشعاع السيزيوم في عام 1955. وبعد أكثر من عشر سنوات، خلال المؤتمر العام للأوزان والمقاييس، تم تقديم ساعة أكثر تقدمًا، تعتمد أيضًا على الاهتزازات في ذرة السيزيوم. تم استخدام الموديل NBS-4 حتى عام 1990.

أنواع الساعات

على هذه اللحظةهناك ثلاثة أنواع من الساعات الذرية، والتي تعمل على نفس المبدأ تقريبًا. ساعات السيزيوم، الأكثر دقة، تفصل ذرة السيزيوم حقل مغناطيسي. أبسط ساعة ذرية، ساعة الروبيديوم، تستخدم غاز الروبيديوم المحاط بمصباح زجاجي. وأخيرًا، تتخذ الساعة الذرية للهيدروجين ذرات الهيدروجين كنقطة مرجعية لها، مغلقة في غلاف من مادة خاصة - فهي تمنع الذرات من فقدان الطاقة بسرعة.

كم الوقت الان

وفي عام 1999، اقترح المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) نسخة أكثر تقدمًا من الساعة الذرية. يسمح نموذج NIST-F1 بحدوث خطأ قدره ثانية واحدة فقط كل عشرين مليون سنة.

أكثر دقة

لكن فيزيائيي NIST لم يتوقفوا عند هذا الحد. قرر العلماء تطوير كرونومتر جديد، يعتمد هذه المرة على ذرات السترونتيوم. تعمل الساعة الجديدة بنسبة 60% من الطراز السابق، مما يعني أنها تفقد ثانية واحدة ليس خلال عشرين مليون عام، بل خلال ما يصل إلى خمسة مليارات.

قياس الوقت

حددت الاتفاقية الدولية التردد الدقيق الوحيد لرنين جسيم السيزيوم. هذا هو 9,192,631,770 هرتز - بتقسيم إشارة الخرج على هذا الرقم يساوي دورة واحدة بالضبط في الثانية.