Зошто атомските часовници се најточни? Атомски часовник: Уред за мерење на времето на сателитски и навигациски системи.

Високо прецизни атомски часовници кои прават грешка од една секунда на секои 300 милиони години. Овој часовник, кој замени постар модел кој имаше грешка од една секунда на секои сто милиони години, сега го поставува стандардот за американското граѓанско време. Lenta.ru одлучи да се потсети на историјата на создавањето на атомски часовници.

Првиот атом

За да создадете часовник, доволно е да користите било кој сериски процес. И историјата на појавата на инструменти за мерење на времето е делумно историја на појавата или на нови извори на енергија или на нови осцилаторни системи што се користат во часовниците. Наједноставниот часовник е веројатно сончевиот часовник: за неговото функционирање ви треба само Сонцето и предмет што фрла сенка. Недостатоците на овој метод на одредување на времето се очигледни. Ниту водата и песочните часовници не се подобри: тие се погодни само за мерење на релативно кратки временски периоди.

Најстариот механички часовник е пронајден во 1901 година во близина на островот Антикитера на потонат брод во Егејското Море. Тие содржат околу 30 бронзени запчаници во дрвена кутија со димензии 33 на 18 на 10 сантиметри и датираат од околу стотата година п.н.е.

Речиси две илјади години, механичките часовници беа најточни и најсигурни. Појавата во 1657 година на класичното дело на Кристијан Хајгенс „Часовник со нишало“ („Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica“), опишувајќи уред за мерење на времето со нишало како осцилирачки систем, веројатно беше апоге историјата на развојот на механички инструменти од таков тип.

Сепак, астрономите и морнарите сè уште го користеле ѕвезденото небо и мапите за да ја одредат нивната локација и точното време. Првиот електричен часовник бил измислен во 1814 година од Френсис Роналдс. Сепак, првиот таков уред беше неточен поради чувствителноста на температурните промени.

Понатамошната историја на часовниците е поврзана со употребата на различни осцилирачки системи во уредите. Воведени во 1927 година од страна на Bell Laboratories, кварцните часовници ги искористија пиезоелектричните својства на кварцниот кристал: кога се изложени на електрична струјакристалот почнува да се собира. Современите кварцни хронометри можат да бидат прецизни до 0,3 секунди месечно. Меѓутоа, бидејќи кварцот е подложен на стареење, часовниците стануваат помалку прецизни со текот на времето.

Со развојот на атомската физика, научниците предложија користење на честички од материјата како осцилаторни системи. Така се појавија првите атомски часовници. Идејата за можноста за користење на атомски вибрации на водород за мерење на времето беше предложена уште во 1879 година од англискиот физичар Лорд Келвин, но дури до средината на 20 век тоа стана возможно.

Репродукција на слика од Хуберт фон Херкомер (1907)

Во 1930-тите, американскиот физичар и пионер на нуклеарна магнетна резонанца Исидор Раби почнал да работи на атомски часовник цезиум-133, но избувнувањето на војната го спречило да го стори тоа. По војната, во 1949 година, во Националниот комитет за стандарди на САД беше создаден првиот молекуларен часовник со молекули на амонијак со учество на Харолд Лионсон. Но, првите вакво време мерните инструменти не беа толку прецизни како модерните атомски часовници.

Релативно малата прецизност се должи на фактот што поради интеракцијата на молекулите на амонијак едни со други и со ѕидовите на контејнерот во кој се наоѓала оваа супстанца, енергијата на молекулите се променила и нивните спектрални линии се прошириле. Овој ефект е многу сличен на триење во механички часовник.

Подоцна, во 1955 година, Луис Есен од Националната физичка лабораторија на ОК го претстави првиот атомски часовник со цезиум-133. Овој часовник акумулирал грешка од една секунда во текот на милион години. Уредот го доби името NBS-1 и почна да се смета за стандард на цезиумска фреквенција.

Шематскиот дијаграм на атомскиот часовник се состои од кварцен осцилатор контролиран од дискриминатор според колото повратни информации. Осцилаторот ги користи пиезоелектричните својства на кварцот, додека дискриминаторот ги користи енергетските вибрации на атомите така што вибрациите на кварцот се следат со сигнали од транзиции од различни енергетски нивоа во атомите или молекулите. Помеѓу генераторот и дискриминаторот има компензатор подесен на фреквенцијата на атомските вибрации и споредувајќи ја со фреквенцијата на вибрации на кристалот.

Атомите што се користат во часовникот мора да обезбедат стабилни вибрации. За секоја фреквенција на електромагнетно зрачење, постојат атоми: калциум, стронциум, рубидиум, цезиум, водород. Или дури и молекули на амонијак и јод.

Временски стандард

Со доаѓањето на атомските инструменти за мерење на времето, стана возможно да се користат како универзален стандард за одредување на второто. Од 1884 година, времето на Гринич, кое се смета за светски стандард, му отстапи место на стандардот на атомски часовници. Во 1967 година, со одлука на 12-та Генерална конференција на тежини и мерки, една секунда беше дефинирана како времетраење на 9192631770 периоди на зрачење што одговара на преминот помеѓу две хиперфини нивоа на основната состојба на атомот на цезиум-133. Оваа дефиниција на втората не зависи од астрономските параметри и може да се репродуцира насекаде на планетата. Цезиум-133, кој се користи во стандардот за атомски часовник, е единствениот стабилен изотоп на цезиум со 100% изобилство на Земјата.

Атомски часовниксе користат и во сателитски навигациски системи; тие се неопходни за да се одреди точното време и сателитски координати. Така, секој ГПС сателит има четири групи на такви часовници: два рубидиум и два цезиум, кои обезбедуваат прецизност на преносот на сигналот од 50 наносекунди. Руските сателити на системот ГЛОНАСС се опремени и со инструменти за мерење на атомско време на цезиум и рубидиум, а сателитите на распоредувачкиот европски систем за геопозиционирање Галилео се опремени со водород и рубидиум.

Точноста на водородните часовници е најголема. Тоа е 0,45 наносекунди за 12 часа. Очигледно, употребата на такви прецизни часовници од страна на Галилео ќе го направи овој навигациски систем лидер веќе во 2015 година, кога во орбитата ќе има 18 негови сателити.

Компактен атомски часовник

Hewlett-Packard стана првата компанија која разви компактен атомски часовник. Во 1964 година, таа го создаде уредот со цезиум HP 5060A, со големина на голем куфер. Компанијата продолжи да ја развива оваа насока, но во 2005 година го продаде својот оддел за развој на атомски часовници на Симетриком.

Во 2011 година, специјалисти од Draper Laboratory и Sandia National Laboratories развија и Symmetricom го објави првиот минијатурен атомски часовник, Quantum. Во моментот на пуштање чинеле околу 15 илјади долари, биле затворени во запечатена кутија со димензии 40 на 35 на 11 милиметри и тешки 35 грама. Потрошувачката на енергија на часовникот беше помала од 120 миливати. Тие првично беа развиени по наредба на Пентагон и беа наменети да им служат на навигациските системи кои работат независно од ГПС системите, на пример, длабоко под вода или земја.

Веќе на крајот на 2013 година, американската компанија Bathys Hawaii го претстави првиот „рачен“ атомски часовник. Тие го користат чипот SA.45s произведен од Symmetricom како главна компонента. Внатре во чипот има капсула со цезиум-133. Дизајнот на часовникот вклучува и фотоелементи и ласер со мала моќност. Вториот обезбедува загревање на гасот цезиум, како резултат на што неговите атоми почнуваат да се движат од едно ниво на енергија до друго. Мерењето на времето се врши прецизно со снимање на таква транзиција. Цената на нов уред е околу 12 илјади долари.

Трендовите кон минијатуризација, автономија и прецизност ќе доведат до фактот дека во блиска иднина нови уреди кои користат атомски часовници ќе се појават во сите области човечки живот, почнувајќи со вселенско истражувањена орбиталните сателити и станици до апликации за домаќинство во собни и рачни системи.

Кои „часовници“ го измислиле и го усовршиле овој исклучително прецизен механизам? Дали има замена за него? Ајде да се обидеме да го сфатиме.

Во 2012 година, атомското мерење на времето ќе ја прослави својата четириесет и петта годишнина. Во 1967 година, категоријата на време во Меѓународниот систем на единици почна да се одредува не со астрономски скали, туку со стандардот за фреквенција на цезиум. Ова е она што обичните луѓе го нарекуваат атомски часовник.

Кој е принципот на работа на атомските осцилатори? Овие „уреди“ користат нивоа на квантна енергија на атоми или молекули како извор на резонантна фреквенција. Квантната механика поврзува неколку дискретни нивоа на енергија со системот „атомско јадро - електрони“. Електромагнетно поле со одредена фреквенција може да предизвика транзиција на овој систем од ниско нивона повисоко. Можен е и спротивен феномен: атомот може да се движи од високо енергетско ниво на пониско со емитување енергија. И двата феномени може да се контролираат и овие енергетски меѓунивола скокови може да се снимат, со што се создава привид на осцилаторно коло. Резонантната фреквенција на ова коло ќе биде еднаква на енергетската разлика помеѓу двете преодни нивоа поделена со Планковата константа.

Добиениот атомски осцилатор има несомнени предности во однос на неговите астрономски и механички претходници. Резонантната фреквенција на сите атоми на супстанцијата избрана за осцилаторот ќе биде, за разлика од нишалата и пиезокристалите, иста. Покрај тоа, атомите не се истрошија и не ги менуваат своите својства со текот на времето. Идеален за практично вечен и исклучително прецизен хронометар.

За прв пат, можноста за користење на енергетски транзиции меѓу нивоата во атомите како стандард за фреквенција беше разгледана уште во 1879 година од британскиот физичар Вилијам Томсон, попознат како Лорд Келвин. Тој предложи да се користи водород како извор на атоми на резонатор. Сепак, неговото истражување беше прилично теоретски по природа. Науката во тоа време сè уште не беше подготвена да развие атомски хронометар.

Беа потребни речиси сто години за да се оствари идејата на Лорд Келвин. Беше долго време, но задачата не беше лесна. Трансформирањето на атомите во идеални нишала се покажа како потешко во пракса отколку во теорија. Тешкотијата лежи во битката со таканаречената резонантна ширина - мала флуктуација во фреквенцијата на апсорпција и емисија на енергија додека атомите се движат од ниво до ниво. Односот на резонантната фреквенција до резонантната ширина го одредува квалитетот на атомскиот осцилатор. Очигледно, колку е поголема вредноста на резонантната ширина, толку е помал квалитетот на атомското нишало. За жал, не е можно да се зголеми резонантната фреквенција за да се подобри квалитетот. Таа е константна за атомите на секоја специфична супстанција. Но, резонантната ширина може да се намали со зголемување на времето на набљудување на атомите.

Технички, ова може да се постигне на следниов начин: нека надворешен, на пример, кварц, осцилатор периодично генерира електромагнетно зрачење, предизвикувајќи атомите на супстанцијата донор да скокаат преку енергетските нивоа. Во овој случај, задачата на тјунерот за атомски хронограф е да ја приближи фреквенцијата на овој кварцен осцилатор што е можно поблиску до резонантната фреквенција на транзицијата меѓу нивоата на атомите. Ова станува возможно во случај на доволно долг период на набљудување на атомските вибрации и создавање на повратни информации што ја регулираат фреквенцијата на кварцот.

Точно, покрај проблемот со намалувањето на ширината на резонантната во атомски хронограф, има и многу други проблеми. Ова е Доплеров ефект - поместување на резонантната фреквенција поради движењето на атомите и меѓусебните судири на атомите, предизвикувајќи непланирани енергетски транзиции, па дури и влијанието на продорната енергија на темната материја.

Прв пат пробајте практична имплементацијаатомскиот часовник беше преземен во триесеттите години на минатиот век од страна на научниците од Универзитетот Колумбија под водство на иднината Нобеловецд-р Исидор Раби. Раби предложи користење на изотоп на цезиум 133 Cs како извор на атоми на нишалото. За жал, работата на Раби, која многу го интересираше NBS, беше прекината од Втората светска војна.

По неговото завршување, водството во имплементацијата на атомскиот хронограф премина на вработениот во NBS, Харолд Лајонс. Неговиот атомски осцилатор работеше на амонијак и даде грешка споредлива со најдобрите примери на кварцни резонатори. Во 1949 година, атомскиот часовник на амонијак и беше демонстриран на пошироката јавност. И покрај прилично просечната точност, тие ги имплементираа основните принципи на идните генерации на атомски хронографи.

Прототипот на атомски часовник на цезиум добиен од Луис Есен обезбеди точност од 1 * 10 -9, додека има ширина на резонанца од само 340 Херци

Малку подоцна, професорот на Универзитетот Харвард, Норман Ремзи, ги подобри идеите на Исидор Раби, намалувајќи го влијанието на Доплеровиот ефект врз точноста на мерењата. Тој предложи, наместо долги високофреквентни пулсни возбудливи атоми, да се користат два кратки испратени до краците на брановодот на одредено растојание едни од други. Ова овозможи нагло да се намали резонантната ширина и всушност овозможи да се создадат атомски осцилатори кои се по прецизност по редослед на големина супериорни во однос на нивните кварцни предци.

Во педесеттите години на минатиот век, врз основа на шемата предложена од Норман Ремзи, во Националната физичка лабораторија (Велика Британија), нејзиниот вработен Луис Есен работеше на атомски осцилатор базиран на изотопот на цезиум 133 Cs претходно предложен од Раби. Цезиумот не е случајно избран.

Шема на хиперфини нивоа на транзиција на атомите на изотопот на цезиум-133

Припаѓаат на групата на алкални метали, атомите на цезиум се исклучително лесно возбудени да скокаат помеѓу нивоата на енергија. На пример, зрак светлина може лесно да го исфрли протокот на електрони од атомската структура на цезиум. Поради ова својство, цезиумот е широко користен во фотодетекторите.

Дизајн на класичен цезиумски осцилатор базиран на брановидник Ремзи

Првиот официјален стандард за цезиумска фреквенција NBS-1

Потомок на NBS-1 - осцилаторот NIST-7 користел ласерско пумпање на зрак од атоми на цезиум

За прототипот на Есен да стане вистински стандард, требаше повеќе од четири години. На крајот на краиштата, прецизното прилагодување на атомските часовници беше можно само со споредба со постоечките ефемерни единици на време. Во текот на четири години, атомскиот осцилатор беше калибриран со набљудување на ротацијата на Месечината околу Земјата со помош на прецизна лунарна камера измислена од Вилијам Марковиц од американската поморска опсерваторија.

„Прилагодувањето“ на атомските часовници на лунарната ефемери беше спроведено од 1955 до 1958 година, по што уредот беше официјално признат од NBS како стандард за фреквенција. Покрај тоа, невидената точност на атомските часовници на цезиум го поттикна NBS да ја промени единицата време во стандардот SI. Од 1958 година, второто е официјално усвоено како „времетраење од 9.192.631.770 периоди на зрачење што одговара на транзицијата помеѓу две хиперфини нивоа на стандардната состојба на атомот на изотопот цезиум-133“.

Уредот на Луис Есен го доби името NBS-1 и се сметаше за првиот стандард за фреквенција на цезиум.

Во текот на следните триесет години, беа развиени шест модификации на NBS-1, од кои најновата, NIST-7, создадена во 1993 година со замена на магнети со ласерски стапици, обезбедува точност од 5 * 10 -15 со резонантна ширина од само шеесет - два херци.

Споредбена табела на карактеристики на цезиумските фреквентни стандарди што ги користи NBS

NBS уредите се стационарни држачи, што им овозможува да се класифицираат како стандардни наместо практично користени осцилатори. Но, за чисто практични цели, Хјулит-Пакард работеше во корист на стандардот за фреквенција на цезиум. Во 1964 година, идниот компјутерски гигант создаде компактна верзија на стандардот за фреквенција на цезиум - уредот HP 5060A.

Калибрирани со користење на стандардите NBS, стандардите за фреквенција HP 5060 се вклопуваат во типичен држач за радио опрема и беа комерцијален успех. Благодарение на стандардот за фреквенција на цезиум, поставен од Хјулит-Пакард, невидената точност на атомските часовници стана широко распространета.

Hewlett-Packard 5060A.

Како резултат на тоа, станаа можни работи како сателитска телевизија и комуникации, глобални системи за навигација и услуги за синхронизација на време на информациска мрежа. Имаше многу апликации за индустријализираната технологија на атомски хронограф. Во исто време, Hewlett-Packard не застана тука и постојано го подобрува квалитетот на стандардите за цезиум и нивната тежина и димензии.

Семејство на атомски часовници Хјулит-Пакард

Во 2005 година, одделот за атомски часовник на Хјулит-Пакард беше продаден на Симетриком.

Заедно со цезиумот, чии резерви во природата се многу ограничени, а побарувачката за него во различни технолошки области е исклучително висока, рубидиумот, чии својства се многу блиску до цезиумот, се користеше како донорска супстанција.

Се чини дека, постоечка шемаатомските часовници се доведени до совршенство. Во меѓувреме, имаше досаден недостаток, чија елиминација стана возможна во втората генерација на стандарди за цезиумска фреквенција, наречени цезиумски фонтани.

Фонтани на времето и оптичка меласа

И покрај најголемата точност на атомскиот хронометар NIST-7, кој користи ласерско откривање на состојбата на атомите на цезиум, неговиот дизајн не е фундаментално различен од дизајните на првите верзии на стандардите за цезиумска фреквенција.

Дизајнерски недостаток на сите овие шеми е тоа што е фундаментално невозможно да се контролира брзината на ширење на зрак од атоми на цезиум кои се движат во брановоди. И ова и покрај фактот дека брзината на движење на атомите на цезиум на собна температура е сто метри во секунда. Многу брзо.

Затоа сите модификации на стандардите на цезиум се потрага по рамнотежа помеѓу големината на брановодот, кој има време да влијае на брзите атоми на цезиум во две точки, и точноста на откривање на резултатите од ова влијание. Колку е помал брановодот, толку е потешко да се направат последователни електромагнетни импулси кои влијаат на истите атоми.

Што ако најдеме начин да ја намалиме брзината на атомите на цезиум? Токму оваа идеја го преокупираше студентот на МИТ Џеролд Захариус, кој го проучуваше влијанието на гравитацијата врз однесувањето на атомите во доцните четириесетти години на минатиот век. Подоцна, вклучен во развојот на варијанта на стандардот за цезиумска фреквенција Atomichron, Захариј ја предложи идејата за цезиумска фонтана - метод за намалување на брзината на атомите на цезиум на еден сантиметар во секунда и ослободување од брановодот со двојно оружје. на традиционалните атомски осцилатори.

Идејата на Захариј била едноставна. Што ако испукате атоми на цезиум вертикално во осцилатор? Тогаш истите атоми ќе поминат низ детекторот двапати: еднаш додека патуваат нагоре и повторно надолу, каде што ќе брзаат под влијание на гравитацијата. Во овој случај, движењето на атомите надолу ќе биде значително побавно од нивното полетување, бидејќи за време на нивното патување во фонтаната тие ќе изгубат енергија. За жал, во педесеттите години на минатиот век, Захариј не можел да ги реализира своите замисли. Во неговата експериментална поставеност, атомите што се движат нагоре комуницираат со оние што паѓаат надолу, што ја збунува точноста на откривањето.

Идејата за Захариј била вратена дури во осумдесеттите. Научниците од Универзитетот Стенфорд, предводени од Стивен Чу, најдоа начин да ја реализираат фонтаната Захариј користејќи метод што го нарекуваат „оптичка меласа“.

Во фонтаната Чу цезиум, облак од атоми на цезиум испукан нагоре е претходно ладен со систем од три пара ласери насочени кон контра, кои имаат резонантна фреквенција веднаш под оптичката резонанца на атомите на цезиум.

Шема на цезиумска фонтана со оптичка меласа.

Атомите на цезиум ладени со ласер почнуваат да се движат бавно, како низ меласа. Нивната брзина паѓа на три метри во секунда. Намалувањето на брзината на атомите им дава можност на истражувачите попрецизно да ги детектираат состојбите (мора да признаете дека е многу полесно да се видат регистарските таблички на автомобил што се движи со брзина од еден километар на час отколку автомобил што се движи со брзина од сто километри на час).

Топката од оладени атоми на цезиум е лансирана нагоре околу еден метар, поминувајќи низ брановодот по патот, низ кој атомите се изложени на електромагнетно поле со резонантна фреквенција. И детекторот на системот за прв пат ја евидентира промената на состојбата на атомите. Откако стигнаа до „таванот“, изладените атоми почнуваат да паѓаат поради гравитацијата и по втор пат минуваат низ брановодот. На враќање, детекторот повторно ја снима нивната состојба. Бидејќи атомите се движат исклучително бавно, нивниот лет во форма на прилично густ облак лесно се контролира, што значи дека во фонтаната нема да има атоми кои летаат нагоре и надолу во исто време.

Објектот за цезиумска фонтана на Чу беше усвоен од NBS како стандард за фреквенција во 1998 година и беше именуван NIST-F1. Неговата грешка беше 4 * 10 -16, што значи дека NIST-F1 беше попрецизен од неговиот претходник NIST-7.

Всушност, NIST-F1 ја достигна границата на точност во мерењето на состојбата на атомите на цезиум. Но, научниците не застанаа на оваа победа. Тие одлучија да ја елиминираат грешката што зрачењето на црното тело ја внесува во работата на атомските часовници - резултат на интеракцијата на атомите на цезиум со топлинското зрачење на телото на инсталацијата во која се движат. Новиот атомски хронограф NIST-F2 постави цезиумска фонтана во криогена комора, намалувајќи го зрачењето на црното тело на речиси нула. Грешката NIST-F2 е неверојатна 3*10 -17.

График на намалување на грешката на стандардните опции за цезиумска фреквенција

Во моментов, атомските часовници базирани на цезиумски фонтани му обезбедуваат на човештвото најточниот стандард на време, во однос на кој чука пулсот на нашата техногена цивилизација. Благодарение на инженерските трикови, пулсираните водородни масери кои ги ладат атомите на цезиум во стационарни верзии на NIST-F1 и NIST-F2 беа заменети со конвенционален ласерски зрак кој работи во тандем со магнето-оптички систем. Ова овозможи да се создадат компактни и многу стабилни структури. надворешни влијанијаваријанти на NIST-Fx стандарди кои можат да работат во вселенски летала. Сосема имагинативно наречени „Aerospace Cold Atom Clock“, овие стандарди за фреквенција се инсталирани во сателитите на навигациските системи како што е GPS, што обезбедува нивна неверојатна синхронизација за да се реши проблемот со многу прецизно пресметување на координатите на GPS приемниците што се користат во нашите гаџети.

Компактна верзија на атомскиот часовник со фонтана цезиум, наречена „Воздухопловен ладен атом часовник“, се користи во GPS сателитите

Пресметката на временската референца ја врши „ансамбл“ од десет NIST-F2 лоцирани во различни истражувачки центри кои соработуваат со NBS. Точната вредност на атомската секунда се добива колективно, со што се елиминираат различните грешки и влијанието на човечкиот фактор.

Сепак, можно е еден ден стандардот на цезиумската фреквенција да биде сфатен од нашите потомци како многу груб механизам за мерење на времето, исто како што сега снисходливо гледаме на движењата на нишалото во механичките дедо часовници на нашите предци.

Сензација се прошири низ научниот свет - времето испарува од нашиот Универзум! Засега ова е само хипотеза на шпанските астрофизичари. Но, фактот дека текот на времето на Земјата и во вселената е различен, веќе го докажаа научниците. Времето тече побавно под влијание на гравитацијата, забрзувајќи додека се оддалечува од планетата. Задачата за синхронизирање на земното и космичко времеспроведуваат стандарди за водородна фреквенција, кои се нарекуваат и „атомски часовници“.

Првото атомско време се појави заедно со појавата на астронаутика; атомските часовници се појавија во средината на 20-тите години. Во денешно време, атомските часовници станаа секојдневие, секој од нас ги користи секојдневно: дигиталните комуникации, ГЛОНАСС, навигацијата и транспортот работат со нивна помош.

Сопствениците на мобилни телефони едвај размислуваат за тоа каква сложена работа се врши во вселената за строга временска синхронизација, а зборуваме за само милионити дел од секундата.

Точниот временски стандард е зачуван во московскиот регион, во Научен институтфизичко-технички и радиотехнички мерења. Во светот има 450 такви часовници.

Русија и САД имаат монополи на атомски часовници, но во САД часовниците работат на база на цезиум, радиоактивен метал кој е многу штетен за животната средина, а во Русија, на база на водород, побезбеден, издржлив материјал.

Овој часовник нема бројчаник или стрелки: изгледа како големо буре со ретки и вредни метали, исполнето со најнапредните технологии - високопрецизни мерни инструменти и опрема со атомски стандарди. Процесот на нивното создавање е многу долг, сложен и се одвива во услови на апсолутна стерилност.

Веќе 4 години часовникот инсталиран на рускиот сателит ја проучува темната енергија. Според човечките стандарди, тие ја губат точноста за 1 секунда во текот на многу милиони години.

Наскоро, атомски часовници ќе бидат инсталирани на Spektr-M - вселенска опсерваторија која ќе гледа како се формираат ѕвездите и егзопланетите и ќе гледа подалеку од работ Црна дупкаво центарот на нашата Галаксија. Според научниците, поради монструозната гравитација, времето овде тече толку бавно што речиси застанува.

твроскосмос

Прво, човештвото користи часовници како средство за контрола на времето на програмата.

Второ, денес мерењето на времето е најточниот тип на мерење од сите: точноста на мерењето на времето сега се одредува со неверојатна грешка од редот од 1·10-11%, или 1 с за 300 илјади години.

И постигнавме таква точност модерни луѓекога почнале да користат атоми, кои како резултат на нивните осцилации се регулатор на атомскиот часовник. Атомите на цезиум се во две енергетски состојби кои ни се потребни (+) и (-). Електромагнетното зрачење со фреквенција од 9.192.631.770 херци се создава кога атомите се менуваат од (+) состојба во (-) состојба, создавајќи прецизен, постојан периодичен процес - регулатор на кодот на атомскиот часовник.

За да можат атомските часовници да работат точно, цезиумот мора да се испари во печка, процес кој ги ослободува неговите атоми. Зад печката се наоѓа магнет за сортирање, кој има капацитет на атоми во (+) состојба, а во него, поради зрачење во микробрановото поле, атомите одат во состојба (-). Вториот магнет ги насочува атомите кои ја промениле состојбата (+) во (-) во уредот што прима. Многу атоми кои ја промениле својата состојба се добиваат само ако фреквенцијата на емитерот на микробрановата точно се совпаѓа со фреквенцијата на вибрации на цезиум од 9.192.631.770 херци. Во спротивно, бројот на атоми (-) во приемниот уред се намалува.

Уредите постојано ја следат и регулираат константната фреквенција од 9.192.631.770 херци. Ова значи дека сонот на дизајнерите на часовници се оствари, пронајден е апсолутно постојан периодичен процес: фреквенција од 9.192.631.770 херци, што го регулира текот на атомските часовници.

Денес, како резултат на меѓународниот договор, секунда се дефинира како период на зрачење помножен со 9.192.631.770, што одговара на преминот помеѓу две хиперфини структурни нивоа на основната состојба на атомот на цезиум (изотоп цезиум-133).

За да го измерите прецизното време, можете да користите и вибрации на други атоми и молекули, како што се атоми на калциум, рубидиум, цезиум, стронциум, молекули на водород, јод, метан итн. Сепак, зрачењето на атомот на цезиум се препознава како фреквенција стандарден. Со цел да се споредат вибрациите на различни атоми со стандарден (цезиум), создаден е ласер од титаниум-сафир кој генерира широк опсег на фреквенции во опсег од 400 до 1000 nm.

Првиот креатор на кварцни и атомски часовници бил англиски експериментален физичар Есен Луис (1908-1997). Во 1955 година, тој го создаде првиот стандард за атомска фреквенција (време) користејќи зрак од атоми на цезиум. Како резултат на оваа работа, 3 години подоцна (1958) се појави временска услуга заснована на стандардот за атомска фреквенција.

Во СССР, академик Николај Генадиевич Басов ги изнесе своите идеи за создавање атомски часовник.

Значи, атомски часовник,Еден од прецизните типови на часовници е уред за мерење на времето, каде природните вибрации на атомите или молекулите се користат како нишало. Стабилноста на атомските часовници е најдобра меѓу сите постоечки типовичасовници, што е клучот за најголема точност. Атомскиот генератор на часовник произведува повеќе од 32.768 импулси во секунда, за разлика од конвенционалните часовници. Атомските вибрации не зависат од температурата на воздухот, вибрациите, влажноста и многу други надворешни фактори.

ВО модерен свет, кога навигацијата едноставно не може да се направи без, станаа атомски часовници незаменливи асистенти. Тие се способни автоматски да ја одредуваат локацијата на вселенски брод, сателит, балистичка ракета, авион, подморница, автомобил преку сателитски комуникации.

Така, во последните 50 години, атомските часовници или поточно цезиумските часовници се сметаат за најточни. Долго време ги користат временските сервиси, а временски сигнали емитуваат и некои радио станици.

Уредот за атомски часовник вклучува 3 дела:

квантен дискриминатор,

кварцен осцилатор,

комплекс за електроника.

Кварцниот осцилатор генерира фреквенција (5 или 10 MHz). Осцилаторот е RC радио генератор, кој користи пиезоелектрични режими на кварцен кристал како резонантен елемент, каде што се споредуваат атомите кои ја промениле состојбата (+) во (-).За да се зголеми стабилноста, неговата фреквенција постојано се споредува со осцилациите на квантен дискриминатор (атоми или молекули) . Кога ќе се појави разлика во осцилацијата, електрониката ја прилагодува фреквенцијата на кварцниот осцилатор на нула, а со тоа ја зголемува стабилноста и точноста на часовникот до посакуваното ниво.

Во современиот свет, атомските часовници можат да се произведуваат во која било земја во светот за употреба Секојдневниот живот. Тие се многу мали по големина и убави. Најновиот атомски часовник не е поголем од кутија за кибрит и има мала потрошувачка на енергија помала од 1 ват. И ова не е граница, можеби во иднина техничкиот напредок ќе достигне и до мобилните телефони. Во меѓувреме, компактни атомски часовници се инсталирани само на стратешки ракети за да се зголеми прецизноста на навигацијата многукратно.

Денес, машки и женски атомски часовници за секој вкус и буџет може да се купат во онлајн продавниците.

Во 2011 година, најмалиот атомски часовник во светот беше создаден од специјалисти од Symmetricom и Sandia National Laboratories. Овој часовник е 100 пати покомпактен од претходните комерцијално достапни верзии. Големината на атомскиот хронометар не е поголема од кутијата за кибрит. За да работи, потребни му се само 100 mW моќност - ова е 100 пати помалку во споредба со неговите претходници.

Беше можно да се намали големината на часовникот со инсталирање наместо пружини и запчаници механизам кој работи на принципот на одредување на фреквенцијата на електромагнетните бранови што ги емитираат атомите на цезиум под влијание на ласерски зракнезначителна моќност.

Таквите часовници се користат во навигацијата, како и во работата на рударите, нуркачите, каде што е неопходно точно да се синхронизира времето со колегите на површината, како и прецизни временски услуги, бидејќи грешката на атомските часовници е помала од 0,000001 фракции од секунда дневно. Цената на рекордниот мал атомски часовник Симетриком беше околу 1.500 долари.

Во 21 век, сателитската навигација се развива со брзо темпо. Можете да ја одредите позицијата на сите предмети што се некако поврзани со сателити, било да е тоа мобилен телефон, автомобил или вселенски брод. Но, ништо од ова не може да се постигне без атомски часовници.
Исто така, овие часовници се користат во различни телекомуникации, на пример, мобилни комуникации.Ова е најточниот часовник што некогаш бил, е и ќе биде.Без нив интернетот немаше да биде синхронизиран, немаше да ја знаеме растојанието до другите планети и ѕвезди итн.
За часови во секунда се земаат 9.192.631.770 периоди на електромагнетно зрачење, кои настанале за време на транзицијата помеѓу две енергетски нивоа на атомот на цезиум-133. Таквите часовници се нарекуваат цезиумски часовници. Но, ова е само еден од трите типа атомски часовници. Има и часовници со водород и рубидиум. Сепак, најчесто се користат цезиумски часовници, па затоа нема да се задржуваме на други типови.

Принцип на работа на атомски часовник на цезиум

Ласерот ги загрева атомите на изотопот на цезиум и во тоа време, вградениот резонатор ги регистрира сите транзиции на атомите. И, како што беше споменато претходно, по достигнувањето на 9.192.631.770 транзиции, се брои една секунда.

Ласерот вграден во куќиштето на часовникот ги загрева атомите на изотопот на цезиум. Во тоа време, резонаторот го снима бројот на транзиции на атомите на ново енергетско ниво. Кога ќе се достигне одредена фреквенција, имено 9,192,631,770 транзиции (Hz), втората се брои врз основа на меѓународниот SI систем.

Користете во сателитска навигација

Процесот на одредување на точната локација на објектот со помош на сателит е многу тежок. Во ова се вклучени неколку сателити, имено повеќе од 4 по приемник (на пример, GPS навигатор во автомобил).

Секој сателит содржи високопрецизен атомски часовник, сателитски радио предавател и генератор на дигитални кодови. Радио предавателот испраќа дигитален код и информации за сателитот на Земјата, имено орбитални параметри, модел итн.

Часовникот одредува колку време е потребно овој код да стигне до приемникот. Така, знаејќи ја брзината на ширење на радио брановите, се пресметува растојанието до приемникот на Земјата. Но, еден сателит не е доволен за ова. Современите GPS приемници можат да примаат сигнали од 12 сателити истовремено, што ви овозможува да ја одредите локацијата на објектот со точност до 4 метри. Патем, вреди да се напомене дека GPS навигаторине бараат претплата.