Đồng hồ nguyên tử: Một thiết bị đo thời gian của hệ thống vệ tinh và định vị.

Năm ngoái, 2012, đánh dấu 45 năm kể từ khi loài người quyết định sử dụng máy chấm công nguyên tử để đo thời gian chính xác nhất có thể. Năm 1967, loại thời gian quốc tế không còn được xác định bằng thang đo thiên văn - chúng được thay thế bằng chuẩn tần số Caesium. Chính ông là người đã nhận được cái tên phổ biến hiện nay - đồng hồ nguyên tử. Thời gian chính xác mà họ cho phép xác định có sai số không đáng kể là một giây trên ba triệu năm, điều này cho phép chúng được sử dụng làm chuẩn thời gian ở bất kỳ nơi nào trên thế giới.

Một ít lịch sử

Ý tưởng sử dụng rung động nguyên tử để đo thời gian cực kỳ chính xác lần đầu tiên được nhà vật lý người Anh William Thomson thể hiện vào năm 1879. Nhà khoa học này đề xuất sử dụng hydro làm chất phát ra các nguyên tử cộng hưởng. Những nỗ lực đầu tiên để đưa ý tưởng vào thực tế chỉ được thực hiện vào những năm 40. thế kỷ XX. Đồng hồ nguyên tử hoạt động đầu tiên trên thế giới xuất hiện vào năm 1955 ở Anh. Người tạo ra chúng là nhà vật lý thực nghiệm người Anh, Tiến sĩ Louis Essen. Những chiếc đồng hồ này hoạt động dựa trên sự rung động của các nguyên tử Caesium-133 và nhờ chúng, các nhà khoa học cuối cùng đã có thể đo thời gian với độ chính xác cao hơn nhiều so với trước đây. Thiết bị đầu tiên của Essen cho phép sai số không quá một giây trong mỗi trăm năm, nhưng sau đó nó tăng lên nhiều lần và sai số mỗi giây chỉ có thể tích lũy trong 2-3 trăm triệu năm.

Đồng hồ nguyên tử: nguyên lý hoạt động

“Thiết bị” thông minh này hoạt động như thế nào? Đồng hồ nguyên tử sử dụng các phân tử hoặc nguyên tử ở cấp độ lượng tử làm bộ tạo tần số cộng hưởng. thiết lập mối liên hệ giữa hệ thống “hạt nhân nguyên tử - electron” và một số mức năng lượng riêng biệt. Nếu một hệ thống như vậy bị ảnh hưởng với tần suất được chỉ định chặt chẽ thì hệ thống này sẽ chuyển từ cấp thấp lên cao. Nó cũng có thể quá trình ngược lại: sự chuyển tiếp của một nguyên tử từ nhiều hơn cấp độ cao xuống thấp, kèm theo sự phát thải năng lượng. Những hiện tượng này có thể được kiểm soát và tất cả các bước nhảy năng lượng có thể được ghi lại bằng cách tạo ra một cái gì đó giống như mạch dao động (còn gọi là bộ dao động nguyên tử). Tần số cộng hưởng của nó sẽ tương ứng với độ chênh lệch năng lượng giữa các mức chuyển tiếp nguyên tử lân cận, chia cho hằng số Planck.

Một mạch dao động như vậy có những ưu điểm không thể phủ nhận so với các mạch cơ học và thiên văn trước đó. Đối với một bộ dao động nguyên tử như vậy, tần số cộng hưởng của các nguyên tử của bất kỳ chất nào sẽ giống nhau, điều này không thể nói về con lắc và tinh thể áp điện. Ngoài ra, các nguyên tử không thay đổi tính chất theo thời gian và không bị hao mòn. Do đó, đồng hồ nguyên tử là loại đồng hồ bấm giờ cực kỳ chính xác và thực tế là vĩnh viễn.

Thời gian chính xác và công nghệ hiện đại

Mạng viễn thông, thông tin vệ tinh, GPS, máy chủ NTP, giao dịch điện tử trên sàn giao dịch chứng khoán, đấu giá trên Internet, thủ tục mua vé qua Internet - tất cả những điều này và nhiều hiện tượng khác đã được thiết lập vững chắc trong cuộc sống của chúng ta từ lâu. Nhưng nếu loài người không phát minh ra đồng hồ nguyên tử thì tất cả những điều này đã không xảy ra. Thời gian chính xác, đồng bộ hóa cho phép bạn giảm thiểu mọi sai sót, sự chậm trễ và chậm trễ, cho phép một người tận dụng tối đa nguồn tài nguyên vô giá không thể thay thế này, không bao giờ có quá nhiều.

Một cảm giác đã lan truyền khắp thế giới khoa học - thời gian đang bốc hơi khỏi Vũ trụ của chúng ta! Cho đến nay đây chỉ là giả thuyết của các nhà vật lý thiên văn Tây Ban Nha. Nhưng việc dòng thời gian trên Trái đất và trong không gian khác nhau đã được các nhà khoa học chứng minh. Thời gian trôi chậm hơn dưới tác dụng của trọng lực, tăng tốc khi nó di chuyển ra khỏi hành tinh. Nhiệm vụ đồng bộ hóa mặt đất và thời gian vũ trụ thực hiện các tiêu chuẩn tần số hydro, còn được gọi là “đồng hồ nguyên tử”.

Thời gian nguyên tử đầu tiên xuất hiện cùng với sự xuất hiện của ngành du hành vũ trụ; đồng hồ nguyên tử xuất hiện vào giữa những năm 20. Ngày nay, đồng hồ nguyên tử đã trở thành một vật dụng hàng ngày; mỗi chúng ta đều sử dụng chúng hàng ngày: thông tin liên lạc kỹ thuật số, GLONASS, định vị và vận tải hoạt động với sự trợ giúp của chúng.

Những chủ sở hữu điện thoại di động họ hầu như không nghĩ về công việc phức tạp nào được thực hiện trong không gian để đồng bộ hóa thời gian chặt chẽ, tuy nhiên chúng ta chỉ đang nói về một phần triệu giây.

Tiêu chuẩn thời gian chính xác được lưu trữ ở khu vực Moscow, ở Viện khoa học các phép đo vật lý-kỹ thuật và kỹ thuật vô tuyến. Có 450 chiếc đồng hồ như vậy trên thế giới.

Nga và Mỹ độc quyền về đồng hồ nguyên tử, nhưng ở Mỹ đồng hồ hoạt động dựa trên caesium, một kim loại phóng xạ rất có hại cho môi trường, và ở Nga, dựa trên hydro, một vật liệu bền và an toàn hơn.

Chiếc đồng hồ này không có mặt số hoặc kim: nó trông giống như một thùng lớn chứa kim loại quý hiếm, chứa đầy những công nghệ tiên tiến nhất - dụng cụ và thiết bị đo lường có độ chính xác cao với tiêu chuẩn nguyên tử. Quá trình tạo ra chúng rất dài, phức tạp và diễn ra trong điều kiện vô trùng tuyệt đối.

Đã 4 năm nay, chiếc đồng hồ lắp trên vệ tinh Nga đã nghiên cứu về năng lượng tối. Theo tiêu chuẩn của con người, chúng mất độ chính xác 1 giây trong nhiều triệu năm.

Rất sớm thôi, đồng hồ nguyên tử sẽ được lắp đặt trên Spektr-M - một đài quan sát không gian sẽ quan sát cách các ngôi sao và ngoại hành tinh được hình thành cũng như nhìn xa hơn rìa hố đenở trung tâm thiên hà của chúng ta. Theo các nhà khoa học, do lực hấp dẫn khủng khiếp nên thời gian ở đây trôi chậm đến mức gần như dừng lại.

tvroscosmos

Những “thợ đồng hồ” nào đã phát minh và hoàn thiện bộ máy cực kỳ chính xác này? Có người thay thế anh ấy không? Hãy cố gắng tìm ra nó.

Vào năm 2012, đồng hồ nguyên tử sẽ kỷ niệm 45 năm thành lập. Năm 1967, phạm trù thời gian trong Hệ đơn vị quốc tế bắt đầu được xác định không phải bằng thang thiên văn mà bằng chuẩn tần số Caesium. Đây là cái mà người dân thường gọi là đồng hồ nguyên tử.

Nguyên lý hoạt động của máy dao động nguyên tử là gì? Những “thiết bị” này sử dụng mức năng lượng lượng tử của nguyên tử hoặc phân tử làm nguồn tần số cộng hưởng. Cơ học lượng tử kết nối nhiều mức năng lượng rời rạc với hệ thống “hạt nhân nguyên tử - electron”. Một trường điện từ có tần số nhất định có thể kích thích sự chuyển đổi của hệ thống này từ mức thấp sang mức cao hơn. Hiện tượng ngược lại cũng có thể xảy ra: một nguyên tử có thể chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn bằng cách phát ra năng lượng. Cả hai hiện tượng đều có thể được kiểm soát và những bước nhảy giữa các mức năng lượng này có thể được ghi lại, từ đó tạo ra một dạng mạch dao động. Tần số cộng hưởng của mạch này sẽ bằng độ chênh lệch năng lượng giữa hai mức chuyển tiếp chia cho hằng số Planck.

Bộ dao động nguyên tử thu được có những ưu điểm chắc chắn so với các bộ dao động cơ học và thiên văn trước đó của nó. Tần số cộng hưởng của tất cả các nguyên tử của chất được chọn làm bộ dao động sẽ giống nhau, không giống như con lắc và tinh thể áp điện. Ngoài ra, các nguyên tử không bị hao mòn hoặc thay đổi tính chất theo thời gian. Lý tưởng cho một chiếc đồng hồ bấm giờ gần như vĩnh cửu và cực kỳ chính xác.

Lần đầu tiên, khả năng sử dụng sự chuyển đổi năng lượng giữa các mức trong nguyên tử làm chuẩn tần số đã được nhà vật lý người Anh William Thomson, hay còn gọi là Lord Kelvin, xem xét vào năm 1879. Ông đề xuất sử dụng hydro làm nguồn nguyên tử cộng hưởng. Tuy nhiên, nghiên cứu của ông mang tính chất lý thuyết khá nhiều. Khoa học lúc đó vẫn chưa sẵn sàng để phát triển đồng hồ đo thời gian nguyên tử.

Phải mất gần một trăm năm ý tưởng của Lord Kelvin mới thành hiện thực. Đó là một thời gian dài, nhưng nhiệm vụ không hề dễ dàng. Việc biến đổi các nguyên tử thành các con lắc lý tưởng hóa ra trong thực tế lại khó hơn trên lý thuyết. Khó khăn nằm ở cuộc chiến với cái gọi là độ rộng cộng hưởng - một dao động nhỏ trong tần số hấp thụ và phát xạ năng lượng khi các nguyên tử chuyển từ cấp này sang cấp khác. Tỷ lệ tần số cộng hưởng với độ rộng cộng hưởng quyết định chất lượng của bộ dao động nguyên tử. Rõ ràng, giá trị của độ rộng cộng hưởng càng lớn thì chất lượng của con lắc nguyên tử càng thấp. Thật không may, không thể tăng tần số cộng hưởng để cải thiện chất lượng. Nó không đổi đối với các nguyên tử của từng chất cụ thể. Nhưng độ rộng cộng hưởng có thể giảm đi bằng cách tăng thời gian quan sát các nguyên tử.

Về mặt kỹ thuật, điều này có thể đạt được như sau: để một bộ dao động bên ngoài, ví dụ như thạch anh, tạo ra bức xạ điện từ định kỳ, làm cho các nguyên tử của chất cho nhảy qua các mức năng lượng. Trong trường hợp này, nhiệm vụ của bộ điều chỉnh đồng hồ bấm giờ nguyên tử là đưa tần số của bộ dao động thạch anh này càng gần với tần số cộng hưởng của sự chuyển đổi giữa các nguyên tử càng tốt. Điều này trở nên khả thi trong trường hợp có một khoảng thời gian đủ dài để quan sát các dao động nguyên tử và sự hình thành nhận xét, điều chỉnh tần số thạch anh.

Đúng vậy, ngoài vấn đề giảm độ rộng cộng hưởng trong đồng hồ bấm giờ nguyên tử, còn có rất nhiều vấn đề khác. Đây là hiệu ứng Doppler - sự thay đổi tần số cộng hưởng do sự chuyển động của các nguyên tử và sự va chạm lẫn nhau của các nguyên tử, gây ra sự chuyển đổi năng lượng không có kế hoạch và thậm chí là ảnh hưởng của năng lượng lan tỏa của vật chất tối.

Lần đầu thử triển khai thực tếđồng hồ nguyên tử được thực hiện vào những năm ba mươi của thế kỷ trước bởi các nhà khoa học tại Đại học Columbia dưới sự lãnh đạo của tương lai người đoạt giải Nobel Tiến sĩ Isidor Rabi. Rabi đề xuất sử dụng đồng vị Caesium 133 Cs làm nguồn nguyên tử con lắc. Thật không may, công việc của Rabi, vốn được NBS rất quan tâm, đã bị gián đoạn bởi Thế chiến thứ hai.

Sau khi hoàn thành, việc chỉ đạo thực hiện đồng hồ bấm giờ nguyên tử được chuyển cho nhân viên NBS Harold Lyons. Máy tạo dao động nguyên tử của ông chạy bằng amoniac và gây ra sai số tương đương với các ví dụ tốt nhất về máy cộng hưởng thạch anh. Năm 1949, đồng hồ nguyên tử amoniac được giới thiệu tới công chúng. Mặc dù có độ chính xác khá tầm thường, nhưng chúng vẫn thực hiện các nguyên tắc cơ bản của các thế hệ đồng hồ bấm giờ nguyên tử trong tương lai.

Nguyên mẫu đồng hồ nguyên tử caesium mà Louis Essen thu được cung cấp độ chính xác 1 * 10 -9, trong khi có độ rộng cộng hưởng chỉ 340 Hertz

Một lát sau, giáo sư Norman Ramsey của Đại học Harvard đã cải tiến ý tưởng của Isidor Rabi, giảm tác động của hiệu ứng Doppler đến độ chính xác của phép đo. Ông đề xuất, thay vì sử dụng một nguyên tử kích thích xung tần số cao dài, hãy sử dụng hai nguyên tử ngắn được gửi đến các nhánh của ống dẫn sóng ở một khoảng cách nào đó với nhau. Điều này giúp có thể giảm mạnh độ rộng cộng hưởng và thực sự có thể tạo ra các bộ dao động nguyên tử có độ chính xác cao hơn tổ tiên thạch anh của chúng.

Vào những năm 50 của thế kỷ trước, dựa trên sơ đồ do Norman Ramsey đề xuất, tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia (Anh), nhân viên Louis Essen của nó đã chế tạo một máy dao động nguyên tử dựa trên đồng vị Caesium 133 Cs do Rabi đề xuất trước đó. Caesium không được chọn ngẫu nhiên.

Sơ đồ mức độ chuyển tiếp siêu mịn của các nguyên tử của đồng vị Caesium-133

Thuộc nhóm kim loại kiềm, nguyên tử Caesium cực kỳ dễ bị kích thích để nhảy giữa các mức năng lượng. Ví dụ, một chùm ánh sáng có thể dễ dàng đánh bật dòng electron ra khỏi cấu trúc nguyên tử Caesium. Chính vì đặc tính này mà Caesium được sử dụng rộng rãi trong các bộ tách sóng quang.

Thiết kế bộ tạo dao động Caesium cổ điển dựa trên ống dẫn sóng Ramsey

Tiêu chuẩn tần số Caesium chính thức đầu tiên NBS-1

Hậu duệ của NBS-1 - bộ dao động NIST-7 sử dụng bơm laser của chùm nguyên tử Caesium

Để nguyên mẫu Essen trở thành một tiêu chuẩn thực sự, phải mất hơn bốn năm. Rốt cuộc, việc điều chỉnh chính xác đồng hồ nguyên tử chỉ có thể thực hiện được bằng cách so sánh với các đơn vị thời gian phù du hiện có. Trong suốt bốn năm, bộ dao động nguyên tử đã được hiệu chỉnh bằng cách quan sát chuyển động quay của Mặt trăng quanh Trái đất bằng máy ảnh mặt trăng chính xác do William Markowitz của Đài quan sát Hải quân Hoa Kỳ phát minh.

Việc "điều chỉnh" đồng hồ nguyên tử theo lịch thiên văn mặt trăng được thực hiện từ năm 1955 đến năm 1958, sau đó thiết bị này được NBS chính thức công nhận là chuẩn tần số. Hơn nữa, độ chính xác chưa từng có của đồng hồ nguyên tử caesium đã thúc đẩy NBS thay đổi đơn vị thời gian trong tiêu chuẩn SI. Kể từ năm 1958, giây đã được chính thức công nhận là “khoảng thời gian của 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái tiêu chuẩn của một nguyên tử đồng vị Caesium-133”.

Thiết bị của Louis Essen được đặt tên là NBS-1 và được coi là chuẩn tần số Caesium đầu tiên.

Trong ba mươi năm tiếp theo, sáu sửa đổi của NBS-1 đã được phát triển, trong đó mới nhất là NIST-7, được tạo ra vào năm 1993 bằng cách thay thế nam châm bằng bẫy laser, mang lại độ chính xác 5 * 10 -15 với chiều rộng cộng hưởng chỉ 60 -hai Hertz.

Bảng so sánh đặc tính các chuẩn tần số Caesium được NBS sử dụng

Các thiết bị NBS là các giá đỡ cố định, cho phép chúng được phân loại thành các bộ dao động tiêu chuẩn thay vì các bộ dao động được sử dụng trong thực tế. Nhưng chỉ vì những mục đích thực tế thuần tuý, Hewlett-Packard đã làm việc vì lợi ích của chuẩn tần số caesium. Năm 1964, gã khổng lồ máy tính tương lai đã tạo ra một phiên bản nhỏ gọn của chuẩn tần số Caesium - thiết bị HP 5060A.

Được hiệu chỉnh bằng tiêu chuẩn NBS, tiêu chuẩn tần số HP 5060 phù hợp với giá đỡ thiết bị vô tuyến điển hình và đã thành công về mặt thương mại. Nhờ tiêu chuẩn tần số caesium do Hewlett-Packard đặt ra mà độ chính xác chưa từng có của đồng hồ nguyên tử đã trở nên phổ biến.

Hewlett-Packard 5060A.

Kết quả là, những thứ như truyền hình vệ tinh và thông tin liên lạc, hệ thống định vị toàn cầu và các dịch vụ đồng bộ hóa thời gian của mạng thông tin đều trở nên khả thi. Đã có nhiều ứng dụng cho công nghệ đồng hồ bấm giờ nguyên tử được công nghiệp hóa. Đồng thời, Hewlett-Packard không dừng lại ở đó và không ngừng nâng cao chất lượng của tiêu chuẩn Caesium cũng như trọng lượng và kích thước của chúng.

Dòng đồng hồ nguyên tử Hewlett-Packard

Năm 2005, bộ phận đồng hồ nguyên tử của Hewlett-Packard được bán cho Simmetricom.

Cùng với Caesium, nguồn dự trữ trong tự nhiên rất hạn chế và nhu cầu về nó trong nhiều lĩnh vực công nghệ là cực kỳ cao, rubidium, có đặc tính rất gần với Caesium, đã được sử dụng làm chất cho.

Có vẻ như vậy, chương trình hiện cóđồng hồ nguyên tử đã được hoàn thiện. Trong khi đó, nó có một nhược điểm khó chịu, việc loại bỏ nhược điểm này đã có thể thực hiện được ở thế hệ tiêu chuẩn tần số Caesium thứ hai, được gọi là đài phun Caesium.

Suối nguồn thời gian và mật đường quang học

Mặc dù máy đo thời gian nguyên tử NIST-7 có độ chính xác cao nhất, sử dụng khả năng dò tìm bằng laser về trạng thái của các nguyên tử Caesium, thiết kế của nó về cơ bản không khác biệt so với thiết kế của các phiên bản đầu tiên của tiêu chuẩn tần số Caesium.

Nhược điểm về mặt thiết kế của tất cả các sơ đồ này là về cơ bản không thể kiểm soát được tốc độ truyền của chùm nguyên tử Caesium chuyển động trong ống dẫn sóng. Và điều này bất chấp thực tế là tốc độ chuyển động của các nguyên tử Caesium ở nhiệt độ phòng là một trăm mét mỗi giây. Rất nhanh.

Đó là lý do tại sao mọi sửa đổi của tiêu chuẩn Caesium đều là tìm kiếm sự cân bằng giữa kích thước của ống dẫn sóng, có thời gian tác động lên các nguyên tử Caesium nhanh ở hai điểm, và độ chính xác của việc phát hiện kết quả của ảnh hưởng này. Ống dẫn sóng càng nhỏ thì càng khó tạo ra các xung điện từ liên tiếp tác động lên cùng một nguyên tử.

Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta tìm ra cách giảm tốc độ của nguyên tử Caesium? Chính ý tưởng này đã khiến sinh viên MIT Jerold Zacharius bận tâm, người đã nghiên cứu ảnh hưởng của lực hấp dẫn đến hành vi của các nguyên tử vào cuối những năm bốn mươi của thế kỷ trước. Sau đó, tham gia vào việc phát triển một biến thể của tiêu chuẩn tần số Caesium Atomichron, Zacharius đề xuất ý tưởng về đài phun caesium - một phương pháp giảm tốc độ của các nguyên tử caesium xuống còn một centimet mỗi giây và loại bỏ ống dẫn sóng hai nhánh của các máy dao động nguyên tử truyền thống.

Ý tưởng của Zacharius rất đơn giản. Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn bắn các nguyên tử Caesium theo chiều dọc bên trong một bộ dao động? Sau đó, các nguyên tử giống nhau sẽ đi qua máy dò hai lần: một lần khi di chuyển lên và một lần nữa đi xuống, nơi chúng sẽ lao tới dưới tác dụng của trọng lực. Trong trường hợp này, chuyển động đi xuống của các nguyên tử sẽ chậm hơn đáng kể so với quá trình cất cánh của chúng, vì trong quá trình di chuyển trong đài phun nước, chúng sẽ mất năng lượng. Thật không may, vào những năm 50 của thế kỷ trước, Zacharius đã không thể hiện thực hóa ý tưởng của mình. Trong thiết lập thí nghiệm của ông, các nguyên tử chuyển động hướng lên trên tương tác với những nguyên tử rơi xuống, làm nhầm lẫn độ chính xác của việc phát hiện.

Ý tưởng về Zacharius chỉ được quay trở lại vào những năm tám mươi. Các nhà khoa học tại Đại học Stanford, do Steven Chu đứng đầu, đã tìm ra cách hiện thực hóa Đài phun nước Zacharius bằng phương pháp mà họ gọi là "mật đường quang học".

Trong đài phun nước Chu xêsi, một đám mây nguyên tử xêzi bắn lên trên được làm lạnh trước bằng hệ thống gồm ba cặp tia laser ngược hướng có tần số cộng hưởng ngay dưới mức cộng hưởng quang học của các nguyên tử xêzi.

Sơ đồ đài phun nước Caesium với mật đường quang học.

Các nguyên tử caesium được làm lạnh bằng laser bắt đầu chuyển động chậm rãi, như thể đang di chuyển qua mật đường. Tốc độ của họ giảm xuống còn ba mét mỗi giây. Việc giảm tốc độ của các nguyên tử mang lại cho các nhà nghiên cứu cơ hội phát hiện các trạng thái chính xác hơn (bạn phải thừa nhận rằng việc nhìn thấy biển số xe ô tô đang di chuyển với tốc độ một km một giờ sẽ dễ dàng hơn nhiều so với một chiếc ô tô đang di chuyển với tốc độ một trăm km một giờ). ki lô mét mỗi giờ).

Một quả cầu gồm các nguyên tử Caesium đã nguội được phóng lên cao khoảng một mét, đi qua một ống dẫn sóng trên đường đi, qua đó các nguyên tử tiếp xúc với một trường điện từ có tần số cộng hưởng. Và máy dò của hệ thống lần đầu tiên ghi lại sự thay đổi trạng thái của các nguyên tử. Sau khi chạm tới “trần nhà”, các nguyên tử được làm lạnh bắt đầu rơi xuống do trọng lực và đi qua ống dẫn sóng lần thứ hai. Trên đường trở về, máy dò lại ghi lại tình trạng của họ. Vì các nguyên tử chuyển động cực kỳ chậm nên việc bay của chúng dưới dạng đám mây khá dày đặc rất dễ kiểm soát, điều đó có nghĩa là trong đài phun nước sẽ không có các nguyên tử bay lên xuống cùng lúc.

Cơ sở đài phun nước Caesium của Chu đã được NBS áp dụng làm tiêu chuẩn tần số vào năm 1998 và được đặt tên là NIST-F1. Sai số của nó là 4 * 10 -16, có nghĩa là NIST-F1 chính xác hơn NIST-7 tiền nhiệm.

Trên thực tế, NIST-F1 đã đạt đến giới hạn độ chính xác trong việc đo trạng thái của các nguyên tử Caesium. Nhưng các nhà khoa học không dừng lại ở chiến thắng này. Họ quyết định loại bỏ lỗi mà bức xạ vật đen gây ra trong hoạt động của đồng hồ nguyên tử - kết quả của sự tương tác của các nguyên tử Caesium với bức xạ nhiệt của thân hệ thống mà chúng chuyển động. Đồng hồ bấm giờ nguyên tử NIST-F2 mới đặt một đài phun caesium trong buồng đông lạnh, làm giảm bức xạ của vật đen xuống gần như bằng không. Lỗi NIST-F2 là 3*10 -17 đáng kinh ngạc.

Biểu đồ giảm lỗi của các tùy chọn tiêu chuẩn tần số Caesium

Hiện nay, đồng hồ nguyên tử dựa trên đài phun caesium cung cấp cho nhân loại tiêu chuẩn thời gian chính xác nhất, tương ứng với nhịp đập của nền văn minh công nghệ của chúng ta. Nhờ các thủ thuật kỹ thuật, maser xung hydro làm mát nguyên tử xêsi trong các phiên bản cố định của NIST-F1 và NIST-F2 đã được thay thế bằng maser thông thường. tia laze, hoạt động song song với hệ thống quang từ. Điều này giúp tạo ra các cấu trúc nhỏ gọn và rất ổn định. ảnh hưởng bên ngoài các biến thể của tiêu chuẩn NIST-Fx có thể hoạt động trong tàu vũ trụ. Được gọi một cách khá tưởng tượng là "Đồng hồ nguyên tử lạnh hàng không vũ trụ", các tiêu chuẩn tần số này được cài đặt trong các vệ tinh của hệ thống định vị như GPS, đảm bảo tính đồng bộ hóa đáng kinh ngạc của chúng để giải quyết vấn đề tính toán rất chính xác tọa độ của máy thu GPS được sử dụng trong các thiết bị của chúng ta.

Một phiên bản nhỏ gọn của đồng hồ nguyên tử đài phun caesium, được gọi là "Đồng hồ nguyên tử lạnh hàng không vũ trụ", được sử dụng trong các vệ tinh GPS

Việc tính toán tham chiếu thời gian được thực hiện bởi một "tập hợp" gồm mười NIST-F2 đặt tại các trung tâm nghiên cứu khác nhau hợp tác với NBS. Giá trị chính xác của giây nguyên tử được thu thập chung, từ đó loại bỏ các lỗi khác nhau và ảnh hưởng của yếu tố con người.

Tuy nhiên, có thể một ngày nào đó chuẩn tần số caesium sẽ được con cháu chúng ta coi là một cơ chế rất thô sơ để đo thời gian, giống như ngày nay chúng ta nhìn một cách trịch thượng vào chuyển động của con lắc trong những chiếc đồng hồ cơ khí của tổ tiên chúng ta.

Chúng ta thường nghe cụm từ đồng hồ nguyên tử luôn hiển thị thời gian chính xác. Nhưng từ cái tên của chúng, thật khó để hiểu tại sao đồng hồ nguyên tử lại chính xác nhất hoặc chúng hoạt động như thế nào.

Chỉ vì cái tên có chứa từ “nguyên tử” không có nghĩa là chiếc đồng hồ gây nguy hiểm đến tính mạng, ngay cả khi có ý nghĩ về bom nguyên tử hoặc nhà máy điện hạt nhân. Trong trường hợp này chúng ta chỉ nói về nguyên lý hoạt động của đồng hồ. Nếu trong một chiếc đồng hồ cơ thông thường, các chuyển động dao động được thực hiện bởi các bánh răng và chuyển động của chúng được đếm, thì trong đồng hồ nguyên tử, các dao động của các electron bên trong nguyên tử được tính. Để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, chúng ta hãy nhớ lại tính chất vật lý của các hạt cơ bản.

Tất cả các chất trong thế giới của chúng ta đều được tạo thành từ các nguyên tử. Nguyên tử bao gồm proton, neutron và electron. Các proton và neutron kết hợp với nhau tạo thành hạt nhân, hạt nhân này còn được gọi là nucleon. Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân, hạt nhân có thể ở các mức năng lượng khác nhau. Điều thú vị nhất là khi hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng, một electron có thể chuyển từ mức năng lượng của nó lên mức năng lượng cao hơn hoặc thấp hơn. Một electron có thể thu được năng lượng từ bức xạ điện từ, hấp thụ hoặc phát ra bức xạ điện từ ở một tần số nhất định sau mỗi lần chuyển đổi.

Thông thường có những chiếc đồng hồ trong đó các nguyên tử của nguyên tố Caesium -133 được sử dụng để thay đổi. Nếu trong 1 giây con lắc đồng hồ thường xuyên thực hiện 1 chuyển động dao động thì các electron trong đồng hồ nguyên tử dựa trên Caesium-133, khi chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, chúng phát ra bức xạ điện từ có tần số 9192631770 Hz. Hóa ra một giây được chia thành chính xác số khoảng thời gian này nếu nó được tính bằng đồng hồ nguyên tử. Giá trị này được cộng đồng quốc tế chính thức thông qua vào năm 1967. Hãy tưởng tượng một mặt số khổng lồ không phải có 60 mà là 9192631770 vạch chia, chỉ chiếm 1 giây. Không có gì đáng ngạc nhiên khi đồng hồ nguyên tử rất chính xác và có một số ưu điểm: nguyên tử không bị lão hóa, không bị hao mòn và tần số dao động sẽ luôn giống nhau đối với một nguyên tố hóa học, nhờ đó có thể so sánh đồng bộ, ví dụ, số đọc của đồng hồ nguyên tử ở xa trong không gian và trên Trái đất mà không sợ sai sót.

Nhờ đồng hồ nguyên tử, nhân loại đã có thể kiểm tra tính đúng đắn của thuyết tương đối trong thực tế và đảm bảo rằng nó tốt hơn trên Trái đất. Đồng hồ nguyên tử được lắp đặt trên nhiều vệ tinh và tàu vũ trụ, chúng được sử dụng cho nhu cầu viễn thông, cho Truyền thông di động, chúng được sử dụng để so sánh thời gian chính xác trên toàn bộ hành tinh. Không ngoa, chính nhờ phát minh ra đồng hồ nguyên tử mà nhân loại mới có thể bước vào kỷ nguyên công nghệ cao.

Đồng hồ nguyên tử hoạt động như thế nào?

Caesium-133 được làm nóng bằng cách làm bay hơi các nguyên tử Caesium, chúng được truyền qua từ trường, nơi các nguyên tử có trạng thái năng lượng mong muốn được chọn lọc.

Các nguyên tử được chọn sau đó đi qua một từ trường có tần số gần 9192631770 Hz, được tạo ra bởi bộ dao động thạch anh. Dưới tác dụng của trường, các nguyên tử xêsi lại thay đổi trạng thái năng lượng và rơi vào máy dò, máy ghi lại khi nào số lớn nhất các nguyên tử tới sẽ có trạng thái năng lượng “đúng”. Số tiền tối đa các nguyên tử có trạng thái năng lượng thay đổi cho biết tần số của trường vi sóng được chọn chính xác, sau đó giá trị của nó được đưa vào một thiết bị điện tử - bộ chia tần số, làm giảm tần số đi một số nguyên lần, nhận số 1, đó là tham chiếu thứ hai.

Do đó, các nguyên tử xêsi được sử dụng để kiểm tra tần số chính xác của từ trường do bộ dao động tinh thể tạo ra, giúp duy trì nó ở một giá trị không đổi.

Hay đấy: Mặc dù đồng hồ nguyên tử hiện nay có độ chính xác chưa từng có và có thể chạy hàng triệu năm mà không mắc lỗi, nhưng các nhà vật lý sẽ không dừng lại ở đó. Sử dụng các nguyên tử khác nhau nguyên tố hóa học, họ không ngừng nỗ lực cải thiện độ chính xác của đồng hồ nguyên tử. Trong số những phát minh mới nhất là đồng hồ nguyên tử stronti, chính xác gấp ba lần so với caesium của chúng. Để tụt lại phía sau chỉ một giây, họ sẽ cần 15 tỷ năm - thời gian vượt quá tuổi của Vũ trụ chúng ta...

Nếu bạn tìm thấy lỗi, vui lòng đánh dấu một đoạn văn bản và nhấp vào Ctrl+Enter.

Isidor Rabi, giáo sư vật lý tại Đại học Columbia, đã đề xuất một dự án chưa từng thấy trước đây: một chiếc đồng hồ hoạt động theo nguyên lý chùm tia nguyên tử cộng hưởng từ. Điều này xảy ra vào năm 1945, và đến năm 1949, Cục Tiêu chuẩn Quốc gia đã công bố nguyên mẫu hoạt động đầu tiên. Nó đọc sự rung động của phân tử amoniac. Caesium được sử dụng muộn hơn nhiều: mẫu NBS-1 chỉ xuất hiện vào năm 1952.

Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia ở Anh đã chế tạo ra chiếc đồng hồ chùm tia Caesium đầu tiên vào năm 1955. Hơn mười năm sau, trong Hội nghị chung về Cân nặng và Đo lường, một chiếc đồng hồ tiên tiến hơn đã được trình làng, cũng dựa trên các dao động của nguyên tử Caesium. Model NBS-4 được sử dụng cho đến năm 1990.

Các loại đồng hồ

TRÊN khoảnh khắc này Có ba loại đồng hồ nguyên tử hoạt động dựa trên cùng một nguyên lý. Đồng hồ Caesium, chính xác nhất, tách nguyên tử Caesium từ trường. Đồng hồ nguyên tử đơn giản nhất, đồng hồ rubidium, sử dụng khí rubidium đặt trong bóng đèn thủy tinh. Và cuối cùng, đồng hồ nguyên tử hydro lấy các nguyên tử hydro làm điểm tham chiếu, được đóng trong một lớp vỏ bằng vật liệu đặc biệt - nó ngăn các nguyên tử mất năng lượng nhanh chóng.

Bây giờ là mấy giờ

Năm 1999, Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) đã đề xuất một phiên bản thậm chí còn tiên tiến hơn của đồng hồ nguyên tử. Mô hình NIST-F1 cho phép sai số chỉ một giây trong mỗi hai mươi triệu năm.

Những điều chính xác nhất

Nhưng các nhà vật lý của NIST không dừng lại ở đó. Các nhà khoa học quyết định phát triển một chiếc đồng hồ bấm giờ mới, lần này dựa trên các nguyên tử strontium. Đồng hồ mới hoạt động ở mức 60% so với mẫu trước đó, có nghĩa là nó mất một giây không phải trong hai mươi triệu năm mà trong khoảng năm tỷ năm.

Đo thời gian

Thỏa thuận quốc tế đã xác định tần số chính xác duy nhất cho sự cộng hưởng của hạt Caesium. Đây là 9.192.631.770 hertz - chia tín hiệu đầu ra cho số này bằng chính xác một chu kỳ mỗi giây.