Atómové hodiny: Zariadenie na meranie času satelitných a navigačných systémov.

V minulom roku 2012 uplynulo štyridsaťpäť rokov odvtedy, čo sa ľudstvo rozhodlo použiť atómové meranie času na čo najpresnejšie meranie času. V roku 1967 prestali medzinárodnú časovú kategóriu určovať astronomické stupnice – nahradil ich cézny frekvenčný štandard. Bol to on, kto dostal dnes populárne meno - atómové hodiny. Presný čas, ktorý umožňujú určiť, má zanedbateľnú chybu jednej sekundy za tri milióny rokov, čo im umožňuje používať ich ako časový štandard v ktoromkoľvek kúte sveta.

Trochu histórie

Samotná myšlienka použitia atómových vibrácií na ultra presné meranie času bola prvýkrát vyjadrená už v roku 1879 britským fyzikom Williamom Thomsonom. Tento vedec navrhol použiť vodík ako žiarič atómov rezonátora. Prvé pokusy o uvedenie myšlienky do praxe sa uskutočnili až v 40. rokoch. dvadsiateho storočia. Prvé funkčné atómové hodiny na svete sa objavili v roku 1955 vo Veľkej Británii. Ich tvorcom bol britský experimentálny fyzik Dr. Louis Essen. Tieto hodiny fungovali na základe vibrácií atómov cézia-133 a vďaka nim vedci konečne dokázali merať čas s oveľa väčšou presnosťou ako doteraz. Prvé zariadenie Essenu umožňovalo chybu nepresahujúcu jednu sekundu každých sto rokov, ale následne sa mnohonásobne zvýšila a chyba za sekundu sa môže nahromadiť iba za 2 až 3 sto miliónov rokov.

Atómové hodiny: princíp fungovania

Ako toto šikovné „zariadenie“ funguje? Atómové hodiny využívajú molekuly alebo atómy na kvantovej úrovni ako generátor rezonančnej frekvencie. vytvára spojenie medzi systémom „atómové jadro - elektróny“ a niekoľkými diskrétnymi energetickými úrovňami. Ak je takýto systém ovplyvňovaný s presne špecifikovanou frekvenciou, potom tento systém prejde z nízka úroveň do vysokej. Je to tiež možné spätný proces: prechod atómu z viac vysokej úrovni nízke, sprevádzané emisiami energie. Tieto javy je možné ovládať a všetky energetické skoky zaznamenať vytvorením niečoho ako oscilačný obvod (nazývaný aj atómový oscilátor). Jeho rezonančná frekvencia bude zodpovedať energetickému rozdielu medzi susednými atómovými prechodovými úrovňami vydelenému Planckovou konštantou.

Takýto oscilačný obvod má v porovnaní s jeho mechanickými a astronomickými predchodcami nepopierateľné výhody. Pre jeden takýto atómový oscilátor bude rezonančná frekvencia atómov akejkoľvek látky rovnaká, čo sa nedá povedať o kyvadlách a piezokryštáloch. Atómy navyše časom nemenia svoje vlastnosti a neopotrebúvajú sa. Preto sú atómové hodiny mimoriadne presné a prakticky večné chronometre.

Presný čas a moderné technológie

Telekomunikačné siete, satelitná komunikácia, GPS, NTP servery, elektronické transakcie na burze, internetové aukcie, postup pri nákupe vstupeniek cez internet - to všetko a mnohé ďalšie fenomény sú už dávno pevne zakorenené v našich životoch. Keby však ľudstvo nevynašlo atómové hodiny, toto všetko by sa jednoducho nestalo. Presný čas, ktorého synchronizácia umožňuje minimalizovať akékoľvek chyby, oneskorenia a oneskorenia, umožňuje človeku maximálne využiť tento neoceniteľný nenahraditeľný zdroj, ktorého nikdy nie je príliš veľa.

Vedeckým svetom sa rozšírila senzácia – čas sa z nášho Vesmíru vyparuje! Zatiaľ je to len hypotéza španielskych astrofyzikov. Ale to, že tok času na Zemi a vo vesmíre je rozdielne, už dokázali vedci. Čas pod vplyvom gravitácie plynie pomalšie, zrýchľuje sa, keď sa vzďaľuje od planéty. Úlohou synchronizovať pozemské a kozmický čas vykonávať vodíkové frekvenčné štandardy, ktoré sa tiež nazývajú „atómové hodiny“.

Prvý atómový čas sa objavil spolu so vznikom astronautiky v polovici 20. rokov. V súčasnosti sa atómové hodiny stali každodennou vecou, ​​každý z nás ich používa každý deň: s ich pomocou funguje digitálna komunikácia, GLONASS, navigácia a doprava.

Vlastníci mobilné telefóny Sotva premýšľajú o tom, aká zložitá práca sa vykonáva vo vesmíre pre prísnu synchronizáciu času, a napriek tomu hovoríme len o milióntinach sekundy.

Presný časový štandard je uložený v Moskovskej oblasti, v Vedecký ústav fyzikálno-technické a rádiotechnické merania. Na svete je 450 takýchto hodiniek.

Rusko a USA majú monopol na atómové hodiny, ale v USA hodiny fungujú na báze cézia, rádioaktívneho kovu, ktorý je veľmi škodlivý pre životné prostredie, a v Rusku na báze vodíka, bezpečnejšieho a odolnejšieho materiálu.

Tieto hodinky nemajú ciferník ani ručičky: vyzerajú ako veľký sud vzácnych a cenných kovov, naplnený najmodernejšími technológiami – vysoko presnými meracími prístrojmi a zariadeniami s atómovými štandardmi. Proces ich tvorby je veľmi dlhý, zložitý a prebieha v podmienkach absolútnej sterility.

Už 4 roky študujú hodiny nainštalované na ruskom satelite temnú energiu. Podľa ľudských štandardov strácajú presnosť o 1 sekundu v priebehu mnohých miliónov rokov.

Veľmi skoro budú na Spektr-M nainštalované atómové hodiny – vesmírne observatórium, ktoré bude vidieť, ako vznikajú hviezdy a exoplanéty, a pozrieť sa za okraj. čierna diera v strede našej Galaxie. Podľa vedcov tu kvôli obludnej gravitácii plynie čas tak pomaly, že sa takmer zastaví.

tvroscosmos

Ktorí „hodinári“ vynašli a zdokonalili tento mimoriadne presný mechanizmus? Existuje za neho náhrada? Skúsme na to prísť.

V roku 2012 oslávi atómové časomiery štyridsiate piate výročie. V roku 1967 sa kategória času v medzinárodnom systéme jednotiek začala určovať nie astronomickými stupnicami, ale céziovým frekvenčným štandardom. Toto je to, čo obyčajní ľudia nazývajú atómové hodiny.

Aký je princíp činnosti atómových oscilátorov? Tieto „zariadenia“ využívajú kvantové energetické úrovne atómov alebo molekúl ako zdroj rezonančnej frekvencie. Kvantová mechanika spája niekoľko diskrétnych energetických úrovní so systémom „atómové jadro - elektróny“. Elektromagnetické pole určitej frekvencie môže vyvolať prechod tohto systému z nízkej úrovne na vyššiu. Možný je aj opačný jav: atóm sa môže vyžarovaním energie pohybovať z vysokej energetickej hladiny na nižšiu. Oba javy je možné ovládať a tieto energetické medziúrovňové skoky zaznamenať, 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 nesporné výhody. Rezonančná frekvencia všetkých atómov látky zvolenej pre oscilátor bude na rozdiel od kyvadiel a piezokryštálov rovnaká. Atómy sa navyše časom neopotrebujú a nemenia svoje vlastnosti. Ideálne pre prakticky 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 v tom čase ešte nebola pripravená vyvinúť atómový chronometer.

Trvalo takmer sto rokov, kým sa myšlienka lorda Kelvina uskutočnila. Bol to dlhý čas, ale úloha to nebola jednoduchá. Transformácia atómov na ideálne kyvadla sa v praxi ukázala byť náročnejšia ako teoreticky. Problém spočíval 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 na 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 spôsobí, že atómy donorovej látky preskakujú cez energetické hladiny. V tomto prípade je úlohou ladičky atómových chronografov čo najviac priblížiť frekvenciu tohto kremenného oscilátora rezonančnej frekvencii medziúrovňového prechodu atómov. To je možné v prípade dostatočne dlhého obdobia pozorovania atómových vibrácií a tvorby spätná väzba, regulujúci frekvenciu kremeňa.

Pravda, okrem problému zmenšovania rezonančnej šírky v atómovom chronografe je tu množstvo ďalších problémov. Ide o Dopplerov jav – posun rezonančnej frekvencie v dôsledku pohybu atómov, a vzájomných zrážok atómov, spôsobujúcich neplánované energetické prechody, dokonca aj vplyv všadeprítomnej energie tmavej hmoty.

Prvýkrát vyskúšajte praktickú realizáciu atómové hodiny sa ujali v tridsiatych rokoch minulého storočia vedci z Kolumbijskej univerzity pod vedením budúcnosti nositeľ Nobelovej ceny doktor Isidor 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 ukončení prešlo vedenie v implementácii atómového chronografu na zamestnanca NBS Harolda Lyonsa. Jeho atómový oscilátor bežal na amoniak a dával chybu porovnateľnú s najlepšími príkladmi kremenných rezonátorov. V roku 1949 boli čpavkové atómové hodiny predvedené širokej verejnosti. 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 vylepšil myšlienky Isidora Rabiho, čím sa znížil vplyv na presnosť meraní Dopplerovho javu. Navrhol namiesto jedného dlhého vysokofrekvenčného pulzného vzrušujúceho atómu použiť dva krátke, vyslané do ramien vlnovodu v určitej vzdialenosti od seba. To umožnilo výrazne znížiť rezonančnú šírku a skutočne umožnilo vytvoriť atómové oscilátory, ktoré sú rádovo presnejšie ako ich kremenní predkovia.

V päťdesiatych rokoch minulého storočia, na základe schémy navrhnutej Normanom Ramseyom, v Národnom fyzikálnom laboratóriu (UK), 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 môže ľahko vyradiť tok elektrónov z atómovej štruktúry cézia. Vďaka tejto vlastnosti je cézium široko používané vo fotodetektoroch.

Návrh 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

Aby sa prototyp z Essenu stal skutočným štandardom, trvalo viac ako štyri roky. Presné nastavenie atómových hodín bolo napokon možné len porovnaním s existujúcimi efemerídovými jednotkami času. V priebehu štyroch rokov bol atómový oscilátor kalibrovaný pozorovaním rotácie Mesiaca okolo Zeme pomocou presnej lunárnej kamery, ktorú vynašiel William Markowitz z amerického námorného observatória.

„Úprava“ atómových hodín na lunárne efemeridy sa vykonávala v rokoch 1955 až 1958, potom 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 druhá oficiálne prijatá ako „trvanie 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 šesťdesiat - dva Hertzy.

Porovnávacia tabuľka charakteristík céziových frekvenčných štandardov používaných NBS

Zariadenia NBS sú stacionárne stojany, čo umožňuje ich zaradenie skôr medzi štandardy ako prakticky používané oscilátory. Ale pre čisto praktické účely Hewlett-Packard pracoval 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, zapadajú do typického stojana rádiových zariadení a boli komerčným úspechom. Práve vďaka céziovému frekvenčnému štandardu stanovenému spoločnosťou Hewlett-Packard sa rozšírila nevídaná presnosť atómových hodín.

Hewlett-Packard 5060A.

V dôsledku toho boli možné také veci ako satelitná televízia a komunikácia, globálne navigačné systémy a služby synchronizácie času informačnej siete. Pre priemyselnú technológiu atómových chronografov existuje mnoho aplikácií. Hewlett-Packard pritom nezostal len pri tom a neustále zlepšuje kvalitu céziových noriem a ich hmotnosť a rozmery.

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 rubídium, ktorého vlastnosti sú veľmi blízke céziu.

Zdalo by sa existujúcej schéme atómové hodiny boli dovedené k dokonalosti. Medzitým to malo nepríjemnú 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 konštrukcia zásadne nelíši od návrhov prvých verzií céziových frekvenčných štandardov.

Konštrukčnou nevýhodou všetkých týchto schém je, že je v podstate 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. Veľmi rýchlo.

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

Čo ak nájdeme spôsob, ako znížiť rýchlosť atómov cézia? Práve táto myšlienka zaujala študenta MIT Jerolda Zachariusa, 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 keby ste odpálili atómy cézia vertikálne vo vnútri oscilátora? Potom tie isté atómy prejdú detektorom dvakrát: raz pri ceste nahor a raz pri ceste dole, kde ich poháňa gravitácia. V tomto prípade bude pohyb atómov nadol výrazne pomalší ako ich vzlet, pretože počas svojej cesty vo fontáne stratia energiu. Žiaľ, v päťdesiatych rokoch minulého storočia Zacharius nedokázal svoje predstavy zrealizovať. V jeho experimentálnom usporiadaní atómy pohybujúce sa nahor interagovali s atómami klesajúcimi nadol, čo zamieňalo presnosť detekcie.

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

Vo fontáne Chu cézia je mrak céziových atómov vystreľovaných nahor predchladený systémom troch párov proti smerujúcich laserov, ktoré majú rezonančnú frekvenciu tesne pod optickou rezonanciou atómov cézia.

Schéma céziovej fontány s optickou melasou.

Laserom chladené atómy cézia sa začnú pomaly pohybovať, akoby cez melasu. Ich rýchlosť klesá na tri metre za sekundu. Zníženie rýchlosti atómov dáva výskumníkom možnosť presnejšie zisťovať stavy (musíte uznať, že je oveľa ľahšie vidieť poznávacie značky auta pohybujúceho sa rýchlosťou jeden kilometer za hodinu ako auta pohybujúceho sa rýchlosťou sto kilometrov za hodinu).

Guľa ochladených atómov cézia je vystrelená nahor asi meter a prechádza vlnovodom pozdĺž cesty, cez ktorý sú atómy vystavené elektromagnetickému poľu s rezonančnou frekvenciou. A detektor systému prvýkrát zaznamená zmenu stavu atómov. Po dosiahnutí „stropu“ ochladené atómy začnú klesať v dôsledku gravitácie a prechádzajú cez vlnovod druhýkrát. Na ceste späť detektor opäť zaznamenáva ich stav. Keďže sa atómy pohybujú extrémne pomaly, ich let v podobe pomerne hustého oblaku je ľahko ovládateľný, čo znamená, že vo fontáne nebudú atómy lietať súčasne hore a dole.

Céziovú fontánu Chu prijala NBS ako frekvenčný štandard v roku 1998 a pomenovala ju 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 chodu atómových hodín vnáša žiarenie čierneho telesa – výsledok interakcie atómov cézia s tepelným žiarením telesa zariadenia, v ktorom sa pohybujú. Nový atómový chronograf NIST-F2 umiestnil céziovú fontánu do kryogénnej komory, čím znížil žiarenie čierneho telesa takmer na nulu. Chyba NIST-F2 je neuveriteľných 3*10-17.

Graf redukcie chýb štandardných variantov céznej frekvencie

V súčasnosti atómové hodiny založené na céziových fontánach poskytujú ľudstvu najpresnejší štandard času, v porovnaní s ktorým bije pulz našej technogénnej civilizácie. Vďaka inžinierskym trikom boli pulzné vodíkové masery, ktoré chladia atómy cézia v stacionárnych verziách NIST-F1 a NIST-F2, nahradené konvenčnými laserový lúč, pracujúci v tandeme s magneto-optickým systémom. To umožnilo vytvárať kompaktné a veľmi stabilné konštrukcie. vonkajšie vplyvy varianty štandardov NIST-Fx, ktoré môžu fungovať v kozmických lodiach. Tieto frekvenčné štandardy celkom nápadito nazývané „Aerospace Cold Atom Clock“ sú nainštalované v satelitoch navigačných systémov, ako je GPS, čo zaisťuje ich úžasnú synchronizáciu pri riešení problému veľmi presného výpočtu súradníc prijímačov GPS používaných v našich gadgetoch.

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

Výpočet časovej referencie vykonáva „súbor“ desiatich NIST-F2 umiestnených v rôznych výskumných centrách spolupracujúcich s NBS. Presná hodnota atómovej sekundy sa získava kolektívne, čím sa eliminujú rôzne chyby a vplyv ľudského faktora.

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

Často počúvame frázu, že atómové hodiny vždy ukazujú presný čas. Ale z ich názvu je ťažké pochopiť, prečo sú atómové hodiny najpresnejšie alebo ako fungujú.

Len preto, že názov obsahuje slovo „atómový“, neznamená to, že hodinky predstavujú nebezpečenstvo pre život, aj keď myšlienky na atómová bomba alebo jadrovej elektrárne. V tomto prípade hovoríme len o princípe fungovania hodiniek. Ak v bežných mechanických hodinkách oscilačné pohyby vykonávajú ozubené kolesá a ich pohyby sa počítajú, tak v atómových hodinách sa počítajú oscilácie elektrónov vo vnútri atómov. Aby sme lepšie pochopili princíp fungovania, spomeňme si na fyziku elementárnych častíc.

Všetky látky v našom svete sú tvorené atómami. Atómy sa skladajú z protónov, neutrónov a elektrónov. Protóny a neutróny sa navzájom spájajú a vytvárajú jadro, ktoré sa nazýva aj nukleón. Okolo jadra sa pohybujú elektróny, ktoré môžu mať rôznu energetickú hladinu. Najzaujímavejšie je, že pri absorpcii alebo uvoľnení energie sa elektrón môže pohybovať zo svojej energetickej hladiny na vyššiu alebo nižšiu. Elektrón môže získavať energiu z elektromagnetického žiarenia, pričom pri každom prechode absorbuje alebo vyžaruje elektromagnetické žiarenie určitej frekvencie.

Najčastejšie existujú hodinky, v ktorých sa na zmenu používajú atómy prvku Cézium -133. Ak za 1 sekundu kyvadlo bežné hodinky vykoná 1 kmitavý pohyb, potom elektróny v atómových hodinách na báze Cézia-133, pri prechode z jednej energetickej hladiny na druhú vyžarujú elektromagnetické žiarenie s frekvenciou 9192631770 Hz. Ukazuje sa, že jedna sekunda je rozdelená na presne tento počet intervalov, ak sa počíta v atómových hodinách. Táto hodnota bola oficiálne prijatá medzinárodným spoločenstvom v roku 1967. Predstavte si obrovský ciferník s nie 60, ale 9192631770 dielikmi, ktoré tvoria iba 1 sekundu. Nie je prekvapujúce, že atómové hodiny sú také presné a majú množstvo výhod: atómy nepodliehajú starnutiu, neopotrebúvajú sa a frekvencia kmitov bude pre jeden chemický prvok vždy rovnaká, vďaka čomu je možné synchrónne porovnávať napríklad údaje atómových hodín ďaleko vo vesmíre a na Zemi, bez obáv z chýb.

Vďaka atómovým hodinám si ľudstvo mohlo v praxi vyskúšať správnosť teórie relativity a presvedčiť sa, že je lepšia ako na Zemi. Atómové hodiny sú inštalované na mnohých satelitoch a kozmických lodiach, používajú sa pre telekomunikačné potreby, napr mobilnej komunikácie, slúžia na porovnanie presného času na celej planéte. Bez preháňania to bolo vďaka vynálezu atómových hodín, že ľudstvo mohlo vstúpiť do éry špičkových technológií.

Ako fungujú atómové hodiny?

Cézium-133 sa zahrieva odparovaním atómov cézia, ktoré prechádzajú magnetickým poľom, kde sa vyberajú atómy s požadovanými energetickými stavmi.

Vybrané atómy potom prechádzajú magnetickým poľom s frekvenciou blízkou 9192631770 Hz, ktoré vytvára kremenný oscilátor. Atómy cézia vplyvom poľa opäť menia energetické stavy a padajú na detektor, ktorý zaznamenáva kedy najväčší počet prichádzajúce atómy budú mať „správny“ energetický stav. Maximálne množstvo atómy so zmeneným energetickým stavom naznačujú, že frekvencia mikrovlnného poľa je zvolená správne a potom sa jej hodnota privedie do elektronického zariadenia - frekvenčného deliča, ktorý po znížení frekvencie o celé číslo dostane číslo 1, čo je referenčná druhá.

Atómy cézia sa teda používajú na kontrolu správnej frekvencie magnetického poľa produkovaného kryštálovým oscilátorom, čo pomáha udržiavať ju na konštantnej hodnote.

Toto je zaujímavé: Hoci súčasné atómové hodiny sú bezprecedentne presné a dokážu bežať milióny rokov bez chýb, fyzici sa pri tom nezastavia. Použitie atómov rôznych chemické prvky, neustále pracujú na zlepšovaní presnosti atómových hodín. Medzi najnovšie vynálezy patria atómové hodiny stroncium, ktoré sú trikrát presnejšie ako ich céziový náprotivok. Na to, aby zaostali len o sekundu, budú potrebovať 15 miliárd rokov - čas presahujúci vek nášho vesmíru...

Ak nájdete chybu, zvýraznite časť textu a kliknite Ctrl+Enter.

Isidor Rabi, profesor fyziky na Kolumbijskej univerzite, navrhol doposiaľ nevídaný projekt: hodiny fungujúce na princípe atómového lúča magnetickej rezonancie. Stalo sa to v roku 1945 a už v roku 1949 Národný úrad pre normy vydal prvý funkčný prototyp. Čítal vibrácie molekuly amoniaku. Cézium sa začalo používať oveľa neskôr: model NBS-1 sa objavil až v roku 1952.

Národné fyzikálne laboratórium v ​​Anglicku vytvorilo prvé céziové hodiny v roku 1955. O viac ako desať rokov neskôr, počas Generálnej konferencie pre váhy a miery, boli predstavené pokročilejšie hodiny, tiež založené na vibráciách v atóme cézia. Model NBS-4 sa používal do roku 1990.

Typy hodiniek

Zapnuté momentálne Existujú tri typy atómových hodín, ktoré fungujú na približne rovnakom princípe. Céziové hodiny, najpresnejšie, oddeľujú atóm cézia magnetické pole. Najjednoduchšie atómové hodiny, rubídiové hodiny, používajú rubídiový plyn uzavretý v sklenenej banke. A nakoniec, vodíkové atómové hodiny berú ako svoj referenčný bod atómy vodíka, uzavreté v obale zo špeciálneho materiálu - bránia atómom rýchlo strácať energiu.

Koľko je hodín

V roku 1999 americký Národný inštitút pre štandardy a technológie (NIST) navrhol ešte pokročilejšiu verziu atómových hodín. Model NIST-F1 počíta s chybou iba jednej sekundy každých dvadsať miliónov rokov.

Najpresnejšie

Fyzici NIST tam však neskončili. Vedci sa rozhodli vyvinúť nový chronometer, tentoraz založený na atómoch stroncia. Nové hodiny fungujú na 60 % predchádzajúceho modelu, čo znamená, že jednu sekundu strácajú nie za dvadsať miliónov rokov, ale až za päť miliárd.

Meranie času

Medzinárodná dohoda určila jedinú presnú frekvenciu rezonancie častice cézia. To je 9 192 631 770 hertzov - delenie výstupného signálu týmto číslom sa rovná presne jednému cyklu za sekundu.