Atomic clock: isang aparato para sa pagsukat ng oras ng satellite at navigation system.

Noong nakaraang taon, 2012, apatnapu't limang taon na mula noong nagpasya ang sangkatauhan na gumamit ng atomic timekeeping upang sukatin ang oras nang tumpak hangga't maaari. Noong 1967, ang International na kategorya ng oras ay tumigil na matukoy ng astronomical scales - pinalitan sila ng cesium frequency standard. Siya ang nakatanggap ng sikat na pangalan ngayon - mga atomic na orasan. Ang eksaktong oras na pinahihintulutan nilang matukoy ay may hindi gaanong kabuluhan na error ng isang segundo sa tatlong milyong taon, na nagpapahintulot sa kanila na magamit bilang pamantayan ng oras sa anumang sulok ng mundo.

Medyo kasaysayan

Ang mismong ideya ng paggamit ng atomic vibrations para sa ultra-precise time measurement ay unang ipinahayag noong 1879 ng British physicist na si William Thomson. Sa papel na ginagampanan ng emitter ng mga atomo ng resonator, iminungkahi ng siyentipikong ito ang paggamit ng hydrogen. Ang mga unang pagtatangka na isabuhay ang ideya ay ginawa lamang noong 1940s. ikadalawampung siglo. At ang unang gumaganang atomic na orasan sa mundo ay lumitaw noong 1955 sa UK. Ang kanilang lumikha ay ang British experimental physicist na si Dr. Louis Essen. Ang orasan na ito ay nagtrabaho sa batayan ng mga vibrations ng cesium-133 atoms, at salamat sa kanila, ang mga siyentipiko ay sa wakas ay nakapagsukat ng oras na may higit na katumpakan kaysa dati. Pinahintulutan ng unang device ng Essen ang isang error na hindi hihigit sa isang segundo para sa bawat daang taon, ngunit pagkatapos ay tumaas ito ng maraming beses at ang error sa bawat segundo ay maaari lamang maipon sa loob ng 2-3 daan-daang milyong taon.

Atomic clock: kung paano ito gumagana

Paano gumagana ang mapanlikhang "device" na ito? Bilang isang resonant frequency generator, ang mga atomic na orasan ay gumagamit ng mga molekula o atomo sa antas ng quantum. nagtatatag ng koneksyon sa pagitan ng system na "atomic nucleus - electron" na may ilang discrete energy level. Kung ang ganitong sistema ay apektado sa isang mahigpit na tinukoy na dalas, pagkatapos ay ang paglipat ng sistemang ito mula sa isang mababang antas sa isang mataas ay magaganap. Posible rin ang kabaligtaran na proseso: ang paglipat ng isang atom mula sa isang mas mataas na antas patungo sa isang mas mababang antas, na sinamahan ng paglabas ng enerhiya. Ang mga phenomena na ito ay maaaring kontrolin at maitala ang lahat ng mga paglukso ng enerhiya sa pamamagitan ng paglikha ng isang bagay tulad ng isang oscillatory circuit (tinatawag din itong atomic oscillator). Ang dalas ng resonant nito ay tumutugma sa pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng mga kalapit na antas ng paglipat ng atom, na hinati sa pare-pareho ng Planck.

Ang ganitong oscillatory circuit ay may hindi maikakailang mga pakinabang sa mga mekanikal at astronomikal na nauna nito. Para sa isang tulad ng atomic oscillator, ang resonant frequency ng atoms ng anumang substance ay magiging pareho, na hindi masasabi tungkol sa mga pendulum at piezocrystals. Bilang karagdagan, ang mga atomo ay hindi nagbabago ng kanilang mga katangian sa paglipas ng panahon at hindi napuputol. Samakatuwid, ang mga atomic na orasan ay lubos na tumpak at halos walang hanggang kronomiter.

Tumpak na oras at makabagong teknolohiya

Ang mga network ng telekomunikasyon, mga komunikasyon sa satellite, GPS, NTP server, mga elektronikong transaksyon sa stock exchange, mga online na auction, ang pamamaraan para sa pagbili ng mga tiket sa pamamagitan ng Internet - lahat ng ito at maraming iba pang mga phenomena ay matagal nang matatag na itinatag sa ating buhay. Ngunit kung ang sangkatauhan ay hindi nag-imbento ng atomic na orasan, ang lahat ng ito ay hindi mangyayari. Ang tumpak na oras, ang pag-synchronize na nagbibigay-daan sa iyo upang mabawasan ang anumang mga error, pagkaantala at pagkaantala, ay nagbibigay-daan sa isang tao na sulitin ang napakahalagang hindi mapapalitang mapagkukunan na ito, na hindi kailanman labis.

Ang isang sensasyon ay kumalat sa buong siyentipikong mundo - ang oras ay sumingaw mula sa ating Uniberso! Sa ngayon, ito ay hypothesis lamang ng mga Spanish astrophysicist. Ngunit ang katotohanan na ang daloy ng oras sa Earth at sa kalawakan ay naiiba ay napatunayan na ng mga siyentipiko. Ang oras ay dumadaloy nang mas mabagal sa ilalim ng impluwensya ng gravity, bumibilis habang lumalayo ka sa planeta. Ang gawain ng pag-synchronize ng terrestrial at cosmic na oras ay ginagampanan ng mga pamantayan ng dalas ng hydrogen, na tinatawag ding "atomic clocks".

Ang unang atomic time ay lumitaw kasama ng pagdating ng astronautics, atomic clocks ay lumitaw noong kalagitnaan ng 1920s. Ngayon ang mga atomic na orasan ay naging karaniwan na, bawat isa sa atin ay gumagamit ng mga ito araw-araw: gumagana ang mga ito sa mga digital na komunikasyon, GLONAS, nabigasyon, at transportasyon.

Ang mga may-ari ng mobile phone ay halos hindi nag-iisip tungkol sa kung gaano karaming trabaho sa espasyo ang isinasagawa para sa masikip na pag-synchronize ng oras, ngunit ang pinag-uusapan natin ay tungkol lamang sa milyon-milyong mga segundo.

Ang pamantayan ng eksaktong oras ay naka-imbak sa rehiyon ng Moscow, sa Scientific Institute of Physical-Technical at Radio-Technical Measurements. Mayroong 450 ganoong mga relo sa mundo.

Ang Russia at ang USA ay ang mga monopolist para sa mga atomic na orasan, ngunit sa USA ang mga orasan ay gumagana batay sa cesium, isang radioactive metal na lubhang nakakapinsala sa kapaligiran, at sa Russia, batay sa hydrogen, isang mas ligtas na matibay na materyal.

Ang relo na ito ay walang dial at mga kamay: ito ay parang isang malaking bariles na gawa sa bihira at mahahalagang metal, na puno ng mga pinaka-advanced na teknolohiya - mga high-precision na mga instrumento sa pagsukat at kagamitan na may mga atomic na pamantayan. Ang proseso ng kanilang paglikha ay napakahaba, kumplikado at nagaganap sa mga kondisyon ng ganap na sterility.

Sa loob ng 4 na taon, ang orasan na naka-install sa satellite ng Russia ay nag-aaral ng madilim na enerhiya. Sa mga pamantayan ng tao, nawawalan sila ng katumpakan ng 1 segundo sa maraming milyong taon.

Sa lalong madaling panahon, ang isang atomic na orasan ay mai-install sa Spektr-M, isang obserbatoryo sa kalawakan na makikita kung paano nabuo ang mga bituin at exoplanet, tumingin sa kabila ng gilid ng isang black hole sa gitna ng ating Galaxy. Ayon sa mga siyentipiko, dahil sa napakalaking gravity, ang oras ay dumadaloy dito nang napakabagal na halos huminto.

tvroscosmos

Anong mga "tagagawa ng relo" ang nag-imbento at nagperpekto sa sobrang tumpak na paggalaw na ito? May kapalit ba siya? Subukan nating malaman ito.

Sa 2012, ipagdiriwang ng atomic timekeeping ang ika-45 anibersaryo nito. Noong 1967, ang kategorya ng oras sa International System of Units ay nagsimulang matukoy hindi sa pamamagitan ng astronomical scale, ngunit sa pamamagitan ng cesium frequency standard. Ito ay sa mga karaniwang tao na tinatawag nila itong isang atomic na orasan.

Ano ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga atomic oscillator? Bilang pinagmumulan ng resonant frequency, ginagamit ng mga "device" na ito ang mga antas ng quantum energy ng mga atom o molekula. Iniuugnay ng quantum mechanics ang ilang discrete energy level sa "atomic nucleus - electron" system. Ang isang electromagnetic field ng isang tiyak na dalas ay maaaring makapukaw ng paglipat ng sistemang ito mula sa isang mababang antas patungo sa isang mas mataas. Posible rin ang kabaligtaran na kababalaghan: ang isang atom ay maaaring lumipat mula sa isang mataas na antas ng enerhiya patungo sa isang mas mababang antas na may paglabas ng enerhiya. Ang parehong mga phenomena ay maaaring kontrolin at ang mga interlevel na jump ng enerhiya ay maaaring maayos, sa gayon ay lumilikha ng isang pagkakahawig ng isang oscillatory circuit. Ang resonant frequency ng circuit na ito ay magiging katumbas ng energy difference sa pagitan ng dalawang transition level, na hinati sa Planck's constant.

Ang resultang atomic oscillator ay may hindi maikakaila na mga pakinabang sa astronomical at mechanical predecessors nito. Magiging pareho ang resonant frequency ng lahat ng atoms ng substance na pinili para sa oscillator, hindi katulad ng mga pendulum at piezocrystals. Bilang karagdagan, ang mga atomo ay hindi napuputol at hindi nagbabago ng kanilang mga katangian sa paglipas ng panahon. Isang mainam na opsyon para sa halos walang hanggan at napakatumpak na kronomiter.

Sa unang pagkakataon, ang posibilidad ng paggamit ng interlevel na mga transisyon ng enerhiya sa mga atomo bilang pamantayan ng dalas ay itinuring noong 1879 ng British physicist na si William Thomson, na mas kilala bilang Lord Kelvin. Iminungkahi niya ang paggamit ng hydrogen bilang pinagmumulan ng mga atomo ng resonator. Gayunpaman, ang kanyang pananaliksik ay higit na teoretikal sa kalikasan. Ang agham noong panahong iyon ay hindi pa handa na bumuo ng atomic chronometer.

Umabot ng halos isang daang taon bago naging realidad ang ideya ni Lord Kelvin. Mahabang panahon iyon, ngunit hindi rin madali ang gawain. Ang paggawa ng mga atomo sa mga ideal na pendulum ay napatunayang mas mahirap sa pagsasanay kaysa sa teorya. Ang kahirapan ay sa labanan na may tinatawag na resonant width - isang maliit na pagbabagu-bago sa dalas ng pagsipsip at paglabas ng enerhiya habang ang mga atomo ay lumipat mula sa antas patungo sa antas. Tinutukoy ng ratio ng resonant frequency sa resonant width ang kalidad ng atomic oscillator. Malinaw, mas malaki ang halaga ng resonant width, mas mababa ang kalidad ng atomic pendulum. Sa kasamaang palad, hindi posible na taasan ang resonant frequency upang mapabuti ang kalidad. Ito ay pare-pareho para sa mga atomo ng bawat partikular na sangkap. Ngunit ang lapad ng resonant ay maaaring mabawasan sa pamamagitan ng pagtaas ng oras ng pagmamasid para sa mga atomo.

Sa teknikal, ito ay maaaring makamit tulad ng sumusunod: hayaan ang isang panlabas, halimbawa, kuwarts, oscillator na pana-panahong makabuo ng electromagnetic radiation, na pinipilit ang mga atomo ng sangkap ng donor na tumalon sa mga antas ng enerhiya. Sa kasong ito, ang gawain ng tuner ng atomic chronograph ay ang maximum na pagtatantya ng dalas ng quartz oscillator na ito sa resonant frequency ng interlevel transition ng mga atoms. Nagiging posible ito sa kaso ng isang sapat na mahabang panahon ng pagmamasid ng mga oscillations ng mga atomo at ang paglikha ng isang feedback na kumokontrol sa dalas ng kuwarts.

Totoo, bukod sa problema sa pagbabawas ng resonant width sa isang atomic chronograph, marami pang problema. Ito ang Doppler effect - isang pagbabago sa resonant frequency dahil sa paggalaw ng mga atomo, at magkaparehong banggaan ng mga atomo, na nagiging sanhi ng hindi planadong mga transisyon ng enerhiya, at maging ang impluwensya ng lahat-lahat na enerhiya ng madilim na bagay.

Sa unang pagkakataon, isang pagtatangka sa praktikal na pagpapatupad ng mga atomic na orasan ay ginawa noong thirties ng huling siglo ng mga siyentipiko sa Columbia University sa ilalim ng patnubay ng hinaharap na Nobel laureate na si Dr. Isidore Rabi. Iminungkahi ni Rabi na gamitin ang cesium isotope 133 Cs bilang pinagmumulan ng mga atomo ng pendulum. Sa kasamaang palad, ang trabaho ni Rabi, na lubhang interesado sa NBS, ay naantala ng World War II.

Matapos itong makumpleto, ang kampeonato sa pagpapatupad ng atomic chronograph ay ipinasa sa empleyado ng NBS na si Harold Lyons. Ang kanyang atomic oscillator ay nagtrabaho sa ammonia at nagbigay ng isang error na naaayon sa pinakamahusay na mga halimbawa ng mga quartz resonator. Noong 1949, ang mga ammonia atomic na orasan ay ipinakita sa pangkalahatang publiko. Sa kabila ng medyo katamtamang katumpakan, ipinatupad nila ang mga pangunahing prinsipyo ng mga susunod na henerasyon ng atomic chronographs.

Ang prototype ng cesium atomic clock na nakuha ni Louis Essen ay nagbigay ng katumpakan ng 1 * 10 -9, habang may resonance width na 340 Hertz lamang.

Maya-maya, ang propesor ng Harvard University na si Norman Ramsey ay napabuti ang mga ideya ni Isidore Rabi, na binabawasan ang epekto sa katumpakan ng mga sukat ng epekto ng Doppler. Iminungkahi niya sa halip na isang mahabang high-frequency na pulso na kapana-panabik ang mga atom, na gumamit ng dalawang maikli na ipinadala sa mga bisig ng waveguide sa ilang distansya mula sa isa't isa. Ginawa nitong posible na lubos na bawasan ang resonant width at talagang ginawang posible na lumikha ng mga atomic oscillator na isang order ng magnitude na mas mahusay kaysa sa kanilang mga ninuno ng quartz sa katumpakan.

Noong ikalimampu ng huling siglo, batay sa iskema na iminungkahi ni Norman Ramsey, sa National Physical Laboratory (Great Britain), ang empleyado nitong si Louis Essen ay nagtrabaho sa isang atomic oscillator batay sa cesium isotope 133 Cs na iminungkahi kanina ni Rabi. Ang Cesium ay hindi pinili ng pagkakataon.

Scheme ng hyperfine transition level ng mga atoms ng cesium-133 isotope

Nabibilang sa pangkat ng mga alkali metal, ang mga atomo ng cesium ay napakadaling nasasabik na tumalon sa pagitan ng mga antas ng enerhiya. Kaya, halimbawa, ang isang sinag ng liwanag ay madaling may kakayahang patumbahin ang isang stream ng mga electron mula sa atomic na istraktura ng cesium. Ito ay dahil sa pag-aari na ito na ang cesium ay malawakang ginagamit sa mga photodetector.

Ang aparato ng isang klasikal na cesium oscillator batay sa Ramsey waveguide

Unang opisyal na cesium frequency standard na NBS-1

Isang inapo ng NBS-1 - ang NIST-7 oscillator ay gumamit ng laser pumping ng isang sinag ng cesium atoms

Kinailangan ng higit sa apat na taon para maging isang tunay na pamantayan ang prototype ni Essen. Pagkatapos ng lahat, ang fine tuning ng mga atomic na orasan ay posible lamang sa pamamagitan ng paghahambing sa mga umiiral na ephemeris unit ng oras. Sa loob ng apat na taon, na-calibrate ang atomic oscillator sa pamamagitan ng pagmamasid sa pag-ikot ng Buwan sa paligid ng Earth gamit ang pinakatumpak na lunar camera na naimbento ni William Markowitz ng US Naval Observatory.

Ang "Pagsasaayos" ng mga atomic na orasan sa lunar ephemeris ay isinagawa mula 1955 hanggang 1958, pagkatapos nito ang aparato ay opisyal na kinikilala ng NBS bilang isang pamantayan ng dalas. Bukod dito, ang hindi pa naganap na katumpakan ng mga cesium atomic na orasan ay nag-udyok sa NBS na baguhin ang yunit ng oras sa pamantayan ng SI. Mula noong 1958, "ang tagal ng 9,192,631,770 na panahon ng radiation na tumutugma sa paglipat sa pagitan ng dalawang antas ng hyperfine ng karaniwang estado ng cesium-133 isotope atom" ay opisyal na pinagtibay bilang isang segundo.

Ang aparato ni Louis Essen ay pinangalanang NBS-1 at itinuturing na unang pamantayan ng dalas ng cesium.

Sa susunod na tatlumpung taon, anim na pagbabago ng NBS-1 ang binuo, ang pinakabago nito, ang NIST-7, na nilikha noong 1993 sa pamamagitan ng pagpapalit ng mga magnet ng mga laser traps, ay nagbibigay ng katumpakan ng 5 * 10 -15 na may resonant na lapad lamang. animnapu't dalawang Hertz.

Talaan ng paghahambing ng mga katangian ng mga pamantayan ng dalas ng cesium na ginagamit ng NBS

Ang mga aparatong NBS ay mga nakatigil na test bench, na ginagawang posible na uriin ang mga ito bilang mga pamantayan kaysa sa mga praktikal na ginagamit na oscillator. Ngunit para sa mga praktikal na layunin, ang Hewlett-Packard ay nagtrabaho para sa kapakinabangan ng pamantayan ng dalas ng cesium. Noong 1964, ang hinaharap na computer giant ay lumikha ng isang compact na bersyon ng cesium frequency standard - ang HP 5060A device.

Na-calibrate gamit ang mga pamantayan ng NBS, ang mga pamantayan ng dalas ng HP 5060 ay umaangkop sa isang karaniwang rack ng kagamitan sa radyo at naging isang komersyal na tagumpay. Ito ay salamat sa cesium frequency standard na itinakda ng Hewlett-Packard na ang walang uliran na katumpakan ng mga atomic na orasan ay napunta sa masa.

Hewlett-Packard 5060A.

Bilang resulta, naging posible ang mga bagay tulad ng satellite television at mga komunikasyon, global navigation system, at impormasyon sa network time synchronization. Mayroong maraming mga aplikasyon ng atomic chronograph na teknolohiya na dinala sa isang pang-industriya na disenyo. Kasabay nito, ang Hewlett-Packard ay hindi tumigil doon at patuloy na pinapabuti ang kalidad ng mga pamantayan ng cesium at ang kanilang mga tagapagpahiwatig ng timbang at laki.

Hewlett-Packard na pamilya ng mga atomic na orasan

Noong 2005, ang atomic clock division ng Hewlett-Packard ay naibenta sa Simmetricom.

Kasama ng cesium, na ang mga reserba sa kalikasan ay napakalimitado, at ang pangangailangan para dito sa iba't ibang larangan ng teknolohiya ay napakataas, ang rubidium, na napakalapit sa cesium sa mga katangian, ay ginamit bilang isang donor substance.

Tila ang umiiral na pamamaraan ng mga atomic na orasan ay dinala sa pagiging perpekto. Samantala, mayroon itong kapus-palad na disbentaha, ang pag-aalis nito ay naging posible sa ikalawang henerasyon ng mga pamantayan ng dalas ng cesium, na tinatawag na cesium fountain.

Mga bukal ng oras at optical molasses

Sa kabila ng pinakamataas na katumpakan ng NIST-7 atomic chronometer, na gumagamit ng laser detection ng estado ng cesium atoms, ang scheme nito ay hindi sa panimula ay naiiba sa mga scheme ng mga unang bersyon ng cesium frequency standards.

At ang depekto sa disenyo ng lahat ng mga scheme na ito ay sa panimula imposibleng kontrolin ang bilis ng pagpapalaganap ng isang sinag ng mga atomo ng cesium na gumagalaw sa isang waveguide. At ito sa kabila ng katotohanan na ang bilis ng paggalaw ng mga atomo ng cesium sa temperatura ng silid ay isang daang metro bawat segundo. Konting mabilis.

Iyon ang dahilan kung bakit ang lahat ng mga pagbabago ng mga pamantayan ng cesium ay isang paghahanap para sa isang balanse sa pagitan ng laki ng waveguide, na may oras upang kumilos sa mabilis na mga atomo ng cesium sa dalawang punto, at ang katumpakan ng pag-detect ng mga resulta ng epekto na ito. Kung mas maliit ang waveguide, mas mahirap gawin ang sunud-sunod na electromagnetic pulse na nakakaapekto sa parehong mga atomo.

Ngunit paano kung makahanap tayo ng isang paraan upang mabawasan ang bilis ng paggalaw ng mga atomo ng cesium? Tiyak na ang pag-iisip na ito ay dinaluhan ng isang mag-aaral sa Massachusetts Institute of Technology, si Jerrold Zacharius, na nag-aral ng impluwensya ng grabidad sa pag-uugali ng mga atomo noong huling bahagi ng apatnapu't siglo ng huling siglo. Nang maglaon, kasangkot sa pagbuo ng isang variant ng cesium frequency standard Atomichron, iminungkahi ni Zacharius ang ideya ng isang cesium fountain - isang paraan upang bawasan ang bilis ng mga atomo ng cesium sa isang sentimetro bawat segundo at mapupuksa ang dalawang-braso na waveguide. ng mga tradisyonal na atomic oscillator.

Simple lang ang ideya ni Zacharius. Paano kung magpapatakbo ka ng mga cesium atoms sa loob ng oscillator nang patayo? Pagkatapos ang parehong mga atomo ay dadaan sa detektor nang dalawang beses: sa unang pagkakataon kapag naglalakbay pataas, at sa pangalawang pagkakataon pababa, kung saan sila ay magmadali sa ilalim ng impluwensya ng grabidad. Kasabay nito, ang pababang paggalaw ng mga atom ay magiging mas mabagal kaysa sa kanilang pag-alis, dahil sa paglalakbay sa fountain ay mawawalan sila ng enerhiya. Sa kasamaang palad, noong ikalimampu ng huling siglo, hindi napagtanto ni Zacharius ang kanyang mga ideya. Sa kanyang mga pang-eksperimentong setup, nakipag-ugnayan ang mga atom na umaakyat sa mga bumabagsak, na nagpabawas sa katumpakan ng pagtuklas.

Ang ideya ni Zacarius ay bumalik lamang noong dekada otsenta. Ang mga siyentipiko sa Stanford University, na pinamumunuan ni Steven Chu, ay nakahanap ng paraan upang ipatupad ang Zacharius Fountain gamit ang isang pamamaraan na tinatawag nilang "optical molasses."

Sa Chu cesium fountain, ang ulap ng mga cesium atoms na pinaputok pataas ay paunang pinalamig ng isang sistema ng tatlong pares ng magkasalungat na direksyon na mga laser na mayroong resonant frequency na nasa ibaba lamang ng optical resonance ng mga cesium atoms.

Diagram ng isang cesium fountain na may optical molasses.

Pinalamig ng mga laser, ang mga atomo ng cesium ay nagsisimulang gumalaw nang mabagal, na parang sa pamamagitan ng molasses. Ang kanilang bilis ay bumaba sa tatlong metro bawat segundo. Ang pagbawas sa bilis ng mga atom ay nagbibigay sa mga mananaliksik ng pagkakataon na mas tumpak na matukoy ang estado (dapat kang sumang-ayon, mas madaling isaalang-alang ang mga bilang ng isang kotse na gumagalaw sa bilis na isang kilometro bawat oras kaysa sa isang kotse na gumagalaw sa bilis na isang daan kilometro bawat oras).

Ang isang bola ng pinalamig na cesium atoms ay inilulunsad nang humigit-kumulang isang metro, na dumadaan sa isang waveguide sa daan, kung saan ang isang electromagnetic field ng resonant frequency ay kumikilos sa mga atom. At kinukuha ng detector ng system ang pagbabago sa estado ng mga atomo sa unang pagkakataon. Nang maabot ang "kisame", ang mga pinalamig na atomo ay nagsisimulang bumagsak dahil sa gravity at dumaan sa waveguide sa pangalawang pagkakataon. Sa pagbabalik, kinukuha muli ng detector ang kanilang estado. Dahil ang mga atomo ay gumagalaw nang napakabagal, ang kanilang paglipad sa anyo ng isang medyo siksik na ulap ay madaling kontrolin, na nangangahulugan na walang mga atom na lumilipad pataas at pababa sa parehong oras sa fountain.

Ang setup ng cesium fountain ng Chu ay pinagtibay ng NBS bilang pamantayan ng dalas noong 1998 at pinangalanang NIST-F1. Ang error nito ay 4 * 10 -16, na nangangahulugan na ang NIST-F1 ay mas tumpak kaysa sa hinalinhan nito na NIST-7.

Sa katunayan, naabot ng NIST-F1 ang limitasyon ng katumpakan sa pagsukat ng estado ng mga atomo ng cesium. Ngunit ang mga siyentipiko ay hindi tumigil sa tagumpay na ito. Nagpasya silang alisin ang error na ipinakilala sa gawain ng mga atomic na orasan sa pamamagitan ng radiation ng isang ganap na itim na katawan - ang resulta ng pakikipag-ugnayan ng mga atomo ng cesium sa thermal radiation ng katawan ng pag-install kung saan sila gumagalaw. Sa bagong NIST-F2 atomic chronograph, isang cesium fountain ang inilagay sa isang cryogenic chamber, na binabawasan ang black body radiation sa halos zero. Ang NIST-F2 margin ng error ay isang hindi kapani-paniwalang 3*10 -17 .

Graph ng pagbabawas ng error ng mga variant ng mga pamantayan ng dalas ng cesium

Sa kasalukuyan, ang mga atomic na orasan na nakabatay sa mga cesium fountain ay nagbibigay sa sangkatauhan ng pinakatumpak na pamantayan ng oras, na may kaugnayan sa kung saan ang pulso ng ating technogenic na sibilisasyon. Salamat sa mga trick sa engineering, ang mga pulsed hydrogen maser na nagpapalamig sa mga cesium atom sa mga nakatigil na bersyon ng NIST-F1 at NIST-F2 ay napalitan ng isang maginoo na laser beam na ipinares sa isang magneto-optical system. Ginawa nitong posible na lumikha ng mga compact at very resistant na bersyon ng mga pamantayan ng NIST-Fx, na may kakayahang magtrabaho sa spacecraft. Tamang pinangalanang "Aerospace Cold Atom Clock", ang mga pamantayan ng dalas na ito ay itinakda sa mga satellite ng mga sistema ng nabigasyon gaya ng GPS, na nagbibigay sa kanila ng kamangha-manghang pag-synchronize upang malutas ang problema ng napakatumpak na pagkalkula ng mga coordinate ng mga GPS receiver na ginagamit sa aming mga gadget.

Ang isang compact na bersyon ng cesium fountain atomic clock na tinatawag na "Aerospace Cold Atom Clock" ay ginagamit sa mga GPS satellite.

Ang pagkalkula ng oras ng sanggunian ay isinasagawa ng isang "ensemble" ng sampung NIST-F2 na matatagpuan sa iba't ibang mga sentro ng pananaliksik na nakikipagtulungan sa NBS. Ang eksaktong halaga ng atomic second ay nakukuha nang sama-sama, at sa gayon ang iba't ibang mga pagkakamali at ang impluwensya ng salik ng tao ay inalis.

Gayunpaman, posible na balang araw ang pamantayan ng dalas ng cesium ay mapapansin ng ating mga inapo bilang isang napaka-magaspang na mekanismo para sa pagsukat ng oras, tulad ng ngayon ay mapagkunwari nating tinitingnan ang mga galaw ng pendulum sa mekanikal na mga orasan ng lolo ng ating mga ninuno.

Madalas nating marinig ang parirala na ang mga atomic na orasan ay palaging nagpapakita ng eksaktong oras. Ngunit mula sa kanilang pangalan ay mahirap maunawaan kung bakit ang mga atomic na orasan ay ang pinaka-tumpak o kung paano gumagana ang mga ito.

Ang katotohanan na ang pangalan ay naglalaman ng salitang "atomic" ay hindi nangangahulugan na ang relo ay isang panganib sa buhay, kahit na ang mga saloobin ng isang bomba atomika o isang planta ng nuclear power ay agad na pumasok sa isip. Sa kasong ito, pinag-uusapan lang natin ang prinsipyo ng orasan. Kung sa mga ordinaryong mekanikal na orasan ang mga gear ay nagsasagawa ng mga paggalaw ng vibrational at ang kanilang mga paggalaw ay binibilang, kung gayon sa mga atomic na orasan ay binibilang ang mga oscillations ng mga electron sa loob ng mga atomo. Upang mas maunawaan ang prinsipyo ng operasyon, alalahanin natin ang pisika ng elementarya na mga particle.

Ang lahat ng mga sangkap sa ating mundo ay binubuo ng mga atomo. Ang mga atomo ay binubuo ng mga proton, neutron at mga electron. Ang mga proton at neutron ay nagsasama-sama sa isa't isa upang bumuo ng isang nucleus, na tinatawag ding nucleon. Ang mga electron ay gumagalaw sa paligid ng nucleus, na maaaring nasa iba't ibang antas ng enerhiya. Ang pinaka-kagiliw-giliw na bagay ay na kapag sumisipsip o nagbibigay ng enerhiya, ang isang elektron ay maaaring lumipat mula sa antas ng enerhiya nito sa isang mas mataas o mas mababa. Ang isang electron ay maaaring makatanggap ng enerhiya mula sa electromagnetic radiation sa pamamagitan ng pagsipsip o pagpapalabas ng electromagnetic radiation ng isang tiyak na frequency sa bawat paglipat.

Kadalasan mayroong mga relo kung saan ginagamit ang mga atomo ng elementong Cesium -133 upang magbago. Kung sa 1 segundo ang pendulum maginoo na mga relo gumagawa ng 1 oscillatory motion, pagkatapos ay ang mga electron sa mga atomic na orasan batay sa Cesium-133, kapag lumilipat mula sa isang antas ng enerhiya patungo sa isa pa, naglalabas sila ng electromagnetic radiation na may dalas na 9192631770 Hz. Lumalabas na ang isang segundo ay nahahati sa eksaktong bilang na ito ng mga agwat, kung ito ay kinakalkula sa mga atomic na orasan. Ang halagang ito ay opisyal na pinagtibay ng internasyonal na komunidad noong 1967. Isipin ang isang malaking dial, kung saan walang 60, ngunit 9192631770 na mga dibisyon, na 1 segundo lamang. Hindi nakakagulat na ang mga atomic na orasan ay napakatumpak at may maraming mga pakinabang: ang mga atomo ay hindi tumatanda, hindi napuputol, at ang dalas ng oscillation ay palaging magiging pareho para sa isang elemento ng kemikal, salamat sa kung saan posible na sabay na ihambing. , halimbawa, ang mga pagbabasa ng mga atomic na orasan na malayo sa kalawakan at sa Earth, hindi natatakot sa mga pagkakamali.

Salamat sa mga atomic na orasan, ang sangkatauhan sa pagsasanay ay nagawang subukan ang kawastuhan ng teorya ng relativity at tiyakin na, kaysa sa Earth. Ang mga orasan ng atom ay naka-install sa maraming mga satellite at spacecraft, ginagamit ang mga ito para sa mga pangangailangan sa telekomunikasyon, para sa mga mobile na komunikasyon, inihambing nila ang eksaktong oras sa buong planeta. Nang walang pagmamalabis, ito ay salamat sa pag-imbento ng atomic na orasan na ang sangkatauhan ay nakapasok sa panahon ng mataas na teknolohiya.

Paano gumagana ang mga atomic na orasan?

Ang Cesium-133 ay pinainit sa pamamagitan ng pagsingaw ng mga atomo ng cesium, na ipinapasa sa isang magnetic field, kung saan pinipili ang mga atomo na may nais na estado ng enerhiya.

Pagkatapos ang mga napiling atom ay dumaan sa isang magnetic field na may dalas na malapit sa 9192631770 Hz, na lumilikha ng isang quartz oscillator. Sa ilalim ng impluwensya ng field, muling binabago ng mga atom ng cesium ang kanilang mga estado ng enerhiya, at nahuhulog sa detektor, na nag-aayos kapag ang pinakamalaking bilang ng mga papasok na atom ay magkakaroon ng "tama" na estado ng enerhiya. Ang maximum na bilang ng mga atom na may nabagong estado ng enerhiya ay nagpapahiwatig na ang dalas ng patlang ng microwave ay napili nang tama, at pagkatapos ay ang halaga nito ay ipapakain sa isang elektronikong aparato - isang frequency divider, na, na binabawasan ang dalas ng isang integer na bilang ng beses, ay nakakakuha. ang numero 1, na siyang pangalawang sanggunian.

Kaya, ang mga cesium atoms ay ginagamit upang suriin ang tamang dalas ng magnetic field na ginawa ng crystal oscillator, na tumutulong na panatilihin itong pare-pareho.

Ito ay kawili-wili: bagama't ang mga atomic na orasan na umiiral ngayon ay walang katulad na tumpak at maaaring tumakbo nang walang pagkakamali sa milyun-milyong taon, ang mga pisiko ay hindi titigil doon. Gamit ang mga atom ng iba't ibang elemento ng kemikal, patuloy silang nagsusumikap upang mapabuti ang katumpakan ng mga atomic na orasan. Ng mga pinakabagong imbensyon - atomic na orasan sa strontium, na tatlong beses na mas tumpak kaysa sa kanilang cesium counterpart. Aabutin sila ng 15 bilyong taon upang maging isang segundo lamang sa likod - isang oras na mas mahaba kaysa sa edad ng ating uniberso...

Kung makakita ka ng error, mangyaring i-highlight ang isang piraso ng teksto at i-click Ctrl+Enter.

Isidore Rabi, isang propesor ng physics sa Columbia University, ay nagmungkahi ng isang hindi pa nakikitang proyekto: isang orasan na gumagana sa prinsipyo ng isang atomic beam ng magnetic resonance. Nangyari ito noong 1945, at noong 1949 ay inilabas ng National Bureau of Standards ang unang gumaganang prototype. Binabasa nito ang mga vibrations ng molekula ng ammonia. Ang Cesium ay pumasok sa negosyo sa ibang pagkakataon: ang modelo ng NBS-1 ay lumitaw lamang noong 1952.

Ang National Physical Laboratory sa England ay lumikha ng unang cesium beam clock noong 1955. Makalipas ang mahigit sampung taon, sa General Conference on Weights and Measures, ipinakita ang isang mas advanced na orasan, batay din sa mga vibrations sa cesium atom. Ang modelo ng NBS-4 ay ginamit hanggang 1990.

Mga uri ng panonood

Sa ngayon, may tatlong uri ng mga atomic na orasan na gumagana sa halos parehong prinsipyo. Ang cesium clock, ang pinakatumpak, ay naghihiwalay sa cesium atom na may magnetic field. Ang pinakasimpleng atomic clock, ang rubidium clock, ay gumagamit ng rubidium gas na nakapaloob sa isang glass bulb. At, sa wakas, ang mga hydrogen atomic na orasan ay kumukuha ng mga atomo ng hydrogen na nakasara sa isang shell ng isang espesyal na materyal bilang isang reference point - hindi nito pinapayagan ang mga atom na mabilis na mawalan ng enerhiya.

Anong oras na ngayon

Noong 1999, iminungkahi ng US National Institute of Standards and Technology (NIST) ang isang mas advanced na bersyon ng atomic clock. Ang modelo ng NIST-F1 ay may error na isang segundo lamang sa loob ng dalawampung milyong taon.

Pinaka Tumpak

Ngunit ang mga NIST physicist ay hindi tumigil doon. Nagpasya ang mga siyentipiko na bumuo ng isang bagong kronomiter, sa oras na ito batay sa mga atomo ng strontium. Gumagana ang bagong relo sa 60% ng nakaraang modelo, na nangangahulugan na nawalan ito ng isang segundo hindi sa dalawampung milyong taon, ngunit sa halos limang bilyon.

Pagsusukat ng oras

Tinukoy ng isang internasyonal na kasunduan ang tanging eksaktong dalas para sa resonance ng isang cesium particle. Ito ay 9,192,631,770 hertz - ang paghahati ng output signal sa numerong ito ay nagbibigay ng eksaktong isang cycle bawat segundo.