Tại sao đồng hồ nguyên tử là chính xác nhất? Đồng hồ nguyên tử: Một thiết bị đo thời gian của hệ thống vệ tinh và định vị.

Đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, cứ 300 triệu năm lại mắc sai số một giây. Chiếc đồng hồ này, đã thay thế một mẫu cũ có sai số một giây cứ sau một trăm triệu năm, hiện đặt ra tiêu chuẩn cho giờ dân sự của Mỹ. Lenta.ru quyết định nhớ lại lịch sử tạo ra đồng hồ nguyên tử.

Nguyên tử đầu tiên

Để tạo ra một chiếc đồng hồ, chỉ cần sử dụng bất kỳ quá trình thực thi. Và lịch sử xuất hiện của các dụng cụ đo thời gian một phần là lịch sử của sự xuất hiện của các nguồn năng lượng mới hoặc hệ thống dao động mới được sử dụng trong đồng hồ. Đồng hồ đơn giản nhất có lẽ là đồng hồ mặt trời: để nó hoạt động, bạn chỉ cần Mặt trời và một vật thể tạo bóng. Những nhược điểm của phương pháp xác định thời gian này là rõ ràng. Nước và đồng hồ cát cũng không khá hơn: chúng chỉ thích hợp để đo những khoảng thời gian tương đối ngắn.

Chiếc đồng hồ cơ cổ nhất được tìm thấy vào năm 1901 gần đảo Antikythera trên một con tàu bị chìm ở biển Aegean. Chúng chứa khoảng 30 bánh răng bằng đồng trong một hộp gỗ có kích thước 33 x 18 x 10 cm và có niên đại khoảng năm thứ một trăm trước Công nguyên.

Trong gần hai nghìn năm, đồng hồ cơ là loại đồng hồ chính xác và đáng tin cậy nhất. Sự xuất hiện vào năm 1657 trong tác phẩm kinh điển “Đồng hồ quả lắc” của Christian Huygens (“Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demoes hình học”), mô tả một thiết bị đo thời gian với một con lắc là một hệ dao động, có lẽ là đỉnh điểm trong lịch sử phát triển của các dụng cụ cơ khí thuộc loại đó.

Tuy nhiên, các nhà thiên văn học và thủy thủ vẫn sử dụng bầu trời đầy sao và bản đồ để xác định vị trí và thời gian chính xác của họ. Đồng hồ điện đầu tiên được phát minh vào năm 1814 bởi Francis Ronalds. Tuy nhiên, thiết bị đầu tiên như vậy không chính xác do nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ.

Lịch sử xa hơn của đồng hồ gắn liền với việc sử dụng các hệ thống dao động khác nhau trong các thiết bị. Được giới thiệu vào năm 1927 bởi Phòng thí nghiệm Bell, đồng hồ thạch anh khai thác tính chất áp điện của tinh thể thạch anh: khi tiếp xúc với dòng điện tinh thể bắt đầu co lại. Đồng hồ bấm giờ thạch anh hiện đại có thể chính xác trong vòng 0,3 giây mỗi tháng. Tuy nhiên, vì thạch anh dễ bị lão hóa nên đồng hồ trở nên kém chính xác hơn theo thời gian.

Với sự phát triển của vật lý nguyên tử, các nhà khoa học đã đề xuất sử dụng các hạt vật chất làm hệ dao động. Đây là cách những chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên xuất hiện. Ý tưởng về khả năng sử dụng các dao động nguyên tử của hydro để đo thời gian đã được nhà vật lý người Anh Lord Kelvin đề xuất vào năm 1879, nhưng phải đến giữa thế kỷ 20, điều này mới trở thành hiện thực.

Tái tạo bức tranh của Hubert von Herkomer (1907)

Vào những năm 1930, nhà vật lý người Mỹ và nhà tiên phong về cộng hưởng từ hạt nhân Isidor Rabi bắt đầu nghiên cứu đồng hồ nguyên tử Caesium-133, nhưng chiến tranh bùng nổ đã ngăn cản ông làm điều đó. Sau chiến tranh, năm 1949, chiếc đồng hồ phân tử đầu tiên sử dụng phân tử amoniac được chế tạo tại Ủy ban Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ với sự tham gia của Harold Lyonson. Nhưng những dụng cụ đo thời gian đầu tiên như vậy không chính xác bằng đồng hồ nguyên tử hiện đại.

Độ chính xác tương đối thấp là do do sự tương tác của các phân tử amoniac với nhau và với thành của thùng chứa chất này, năng lượng của các phân tử thay đổi và các vạch quang phổ của chúng mở rộng. Hiệu ứng này rất giống với ma sát trong đồng hồ cơ.

Sau đó, vào năm 1955, Louis Essen thuộc Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh đã giới thiệu chiếc đồng hồ nguyên tử Caesium-133 đầu tiên. Chiếc đồng hồ này tích lũy sai số một giây trong hơn một triệu năm. Thiết bị này được đặt tên là NBS-1 và bắt đầu được coi là chuẩn tần số Caesium.

Sơ đồ của đồng hồ nguyên tử bao gồm một bộ dao động thạch anh được điều khiển bởi bộ phân biệt theo mạch nhận xét. Bộ dao động tận dụng các đặc tính áp điện của thạch anh, trong khi bộ phân biệt sử dụng các dao động năng lượng của các nguyên tử để các dao động của thạch anh được theo dõi bởi các tín hiệu từ sự chuyển đổi từ các mức năng lượng khác nhau trong nguyên tử hoặc phân tử. Giữa máy phát và bộ phân biệt có một bộ bù được điều chỉnh theo tần số dao động nguyên tử và so sánh nó với tần số dao động của tinh thể.

Các nguyên tử được sử dụng trong đồng hồ phải cung cấp những dao động ổn định. Ứng với mỗi tần số của bức xạ điện từ có các nguyên tử: canxi, strontium, rubidium, Caesium, hydro. Hoặc thậm chí các phân tử amoniac và iốt.

Tiêu chuẩn thời gian

Với sự ra đời của các dụng cụ đo thời gian nguyên tử, người ta có thể sử dụng chúng như một tiêu chuẩn phổ quát để xác định giây. Từ năm 1884, Giờ Greenwich, được coi là tiêu chuẩn thế giới, đã nhường chỗ cho tiêu chuẩn đồng hồ nguyên tử. Năm 1967, theo quyết định của Đại hội đồng đo lường lần thứ 12, một giây được định nghĩa là khoảng thời gian của 9192631770 chu kỳ bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái cơ bản của nguyên tử Caesium-133. Định nghĩa về giây này không phụ thuộc vào các thông số thiên văn và có thể được sao chép ở bất kỳ đâu trên hành tinh. Caesium-133, được sử dụng trong tiêu chuẩn đồng hồ nguyên tử, là đồng vị ổn định duy nhất của Caesium với độ phổ biến 100% trên Trái đất.

Đồng hồ nguyên tử cũng được sử dụng trong hệ thống định vị vệ tinh; chúng cần thiết để xác định chính xác thời gian và tọa độ vệ tinh. Do đó, mỗi vệ tinh GPS có bốn bộ đồng hồ như vậy: hai rubidium và hai xêzi, đảm bảo độ chính xác truyền tín hiệu là 50 nano giây. Các vệ tinh của hệ thống GLONASS của Nga cũng được trang bị các thiết bị đo thời gian nguyên tử Caesium và rubidium, và các vệ tinh của hệ thống định vị địa lý Galileo Châu Âu đang triển khai được trang bị các thiết bị hydro và rubidium.

Độ chính xác của đồng hồ hydro là cao nhất. Đó là 0,45 nano giây trong 12 giờ. Rõ ràng, việc Galileo sử dụng những chiếc đồng hồ chính xác như vậy sẽ khiến hệ thống định vị này trở thành hệ thống dẫn đầu vào năm 2015, khi sẽ có 18 vệ tinh của nó trên quỹ đạo.

Đồng hồ nguyên tử nhỏ gọn

Hewlett-Packard trở thành công ty đầu tiên phát triển đồng hồ nguyên tử nhỏ gọn. Năm 1964, bà đã tạo ra thiết bị Caesium HP 5060A, có kích thước bằng một chiếc vali lớn. Công ty tiếp tục phát triển theo hướng này, nhưng vào năm 2005, họ đã bán bộ phận phát triển đồng hồ nguyên tử cho Symmetricom.

Năm 2011, các chuyên gia từ Phòng thí nghiệm Draper và Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia đã phát triển và Symmetricom cho ra đời chiếc đồng hồ nguyên tử thu nhỏ đầu tiên, Lượng tử. Vào thời điểm phát hành, chúng có giá khoảng 15 nghìn đô la, được đựng trong hộp kín có kích thước 40 x 35 x 11 mm và nặng 35 gram. Mức tiêu thụ điện năng của đồng hồ nhỏ hơn 120 miliwatt. Chúng ban đầu được phát triển theo lệnh của Lầu Năm Góc và nhằm mục đích phục vụ các hệ thống định vị hoạt động độc lập với hệ thống GPS, chẳng hạn như ở sâu dưới nước hoặc dưới lòng đất.

Vào cuối năm 2013, công ty Bathys Hawaii của Mỹ đã giới thiệu chiếc đồng hồ nguyên tử “đeo cổ tay” đầu tiên. Họ sử dụng chip SA.45s do Symmetricom sản xuất làm thành phần chính. Bên trong con chip có một viên nang chứa Caesium-133. Thiết kế của đồng hồ còn bao gồm các tế bào quang điện và tia laser năng lượng thấp. Loại thứ hai đảm bảo đốt nóng khí Caesium, do đó các nguyên tử của nó bắt đầu chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Việc đo thời gian được thực hiện một cách chính xác bằng cách ghi lại sự chuyển đổi như vậy. Giá của một thiết bị mới là khoảng 12 nghìn đô la.

Xu hướng thu nhỏ, tự chủ và chính xác sẽ dẫn đến một thực tế là trong tương lai gần các thiết bị mới sử dụng đồng hồ nguyên tử sẽ xuất hiện ở mọi lĩnh vực. cuộc sống con người, bắt đầu bằng nghiên cứu không gian trên các vệ tinh và trạm quỹ đạo cho đến các ứng dụng gia đình trong hệ thống phòng và cổ tay.

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 gây ra sự chuyển đổi của hệ thống này từ cấp thấpđến một cái 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 quan sát được các dao động nguyên tử trong một khoảng thời gian đủ dài và tạo ra phản hồi điều chỉnh tần số của 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, các maser hydro xung làm mát các nguyên tử caesium trong các phiên bản cố định của NIST-F1 và NIST-F2 đã được thay thế bằng chùm tia laser thông thường 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.

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.

Chủ sở hữu điện thoại di động hầu như không nghĩ đến công việc phức tạp nào được thực hiện trong không gian để đồng bộ hóa thời gian nghiêm ngặt và 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

Thứ nhất, nhân loại sử dụng đồng hồ như một phương tiện để điều khiển thời gian của chương trình.

Thứ hai, ngày nay phép đo thời gian là loại phép đo chính xác nhất: độ chính xác của phép đo thời gian hiện được xác định bởi sai số đáng kinh ngạc vào cỡ 1·10-11%, hay 1 giây trong 300 nghìn năm.

Và chúng tôi đã đạt được độ chính xác như vậy người hiện đại khi họ bắt đầu sử dụng nguyên tử, do sự dao động của chúng, chúng là bộ điều chỉnh đồng hồ nguyên tử. Nguyên tử Caesium ở hai trạng thái năng lượng chúng ta cần (+) và (-). Bức xạ điện từ có tần số 9.192.631.770 hertz được tạo ra khi các nguyên tử chuyển từ trạng thái (+) sang trạng thái (-), tạo ra một quá trình tuần hoàn chính xác, không đổi - bộ điều chỉnh mã đồng hồ nguyên tử.

Để đồng hồ nguyên tử hoạt động chính xác, Caesium phải được làm bay hơi trong lò, một quá trình giải phóng các nguyên tử của nó. Phía sau lò có một nam châm phân loại, có khả năng chứa các nguyên tử ở trạng thái (+), trong đó do chiếu xạ trong trường vi sóng nên các nguyên tử sẽ chuyển sang trạng thái (-). Nam châm thứ hai hướng các nguyên tử đã chuyển trạng thái (+) thành (-) vào thiết bị thu. Nhiều nguyên tử đã thay đổi trạng thái chỉ thu được nếu tần số của bộ phát vi sóng trùng khớp chính xác với tần số dao động của caesium là 9.192.631.770 hertz. Ngược lại, số lượng nguyên tử (-) trong thiết bị thu sẽ giảm đi.

Các thiết bị liên tục theo dõi và điều chỉnh tần số không đổi 9.192.631.770 hertz. Điều này có nghĩa là giấc mơ của các nhà thiết kế đồng hồ đã trở thành hiện thực, một quá trình tuần hoàn hoàn toàn không đổi đã được tìm ra: tần số 9.192.631.770 hertz, tần số điều chỉnh hoạt động của đồng hồ nguyên tử.

Ngày nay, theo thỏa thuận quốc tế, một giây được định nghĩa là chu kỳ bức xạ nhân với 9.192.631.770, tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức cấu trúc siêu mịn của trạng thái cơ bản của nguyên tử Caesium (đồng vị Caesium-133).

Để đo thời gian chính xác, bạn cũng có thể sử dụng dao động của các nguyên tử và phân tử khác, chẳng hạn như nguyên tử canxi, rubidium, Caesium, strontium, phân tử hydro, iốt, metan, v.v. Tuy nhiên, bức xạ của nguyên tử Caesium được coi là tần số tiêu chuẩn. Để so sánh độ rung của các nguyên tử khác nhau với một tiêu chuẩn (Caesium), một tia laser titan-sapphire đã được tạo ra để tạo ra một dải tần số rộng trong khoảng từ 400 đến 1000 nm.

Người đầu tiên chế tạo ra đồng hồ thạch anh và đồng hồ nguyên tử là nhà vật lý thực nghiệm người Anh. Essen Lewis (1908-1997). Năm 1955, ông tạo ra chuẩn tần số nguyên tử (thời gian) đầu tiên sử dụng chùm nguyên tử Caesium. Kết quả của công việc này là 3 năm sau (1958) một dịch vụ thời gian dựa trên tiêu chuẩn tần số nguyên tử đã ra đời.

Ở Liên Xô, Viện sĩ Nikolai Gennadievich Basov đã đưa ra ý tưởng của mình về việc tạo ra đồng hồ nguyên tử.

Vì thế, đồng hồ nguyên tử, Một trong những loại đồng hồ chính xác là thiết bị đo thời gian, trong đó các dao động tự nhiên của nguyên tử hoặc phân tử được sử dụng làm con lắc. Độ ổn định của đồng hồ nguyên tử là tốt nhất trong số tất cả các loại hiện cóđồng hồ, đó là chìa khóa cho độ chính xác cao nhất. Bộ tạo đồng hồ nguyên tử tạo ra hơn 32.768 xung mỗi giây, không giống như đồng hồ thông thường. Dao động nguyên tử không phụ thuộc vào nhiệt độ không khí, độ rung, độ ẩm và nhiều yếu tố bên ngoài khác.

TRONG thế giới hiện đại, khi việc điều hướng đơn giản là không thể thực hiện được nếu không có đồng hồ nguyên tử những trợ thủ không thể thiếu. Chúng có khả năng xác định vị trí của tàu vũ trụ, vệ tinh, tên lửa đạn đạo, máy bay, tàu ngầm, ô tô một cách tự động thông qua liên lạc vệ tinh.

Vì vậy, trong 50 năm qua, đồng hồ nguyên tử, hay đúng hơn là đồng hồ Caesium, được coi là chính xác nhất. Chúng đã được sử dụng từ lâu bởi các dịch vụ thời gian và tín hiệu thời gian cũng được một số đài phát thanh phát sóng.

Thiết bị đồng hồ nguyên tử gồm 3 phần:

máy phân biệt lượng tử,

dao động thạch anh,

tổ hợp điện tử.

Bộ dao động thạch anh tạo ra tần số (5 hoặc 10 MHz). Bộ tạo dao động là một máy phát vô tuyến RC, sử dụng chế độ áp điện của tinh thể thạch anh làm phần tử cộng hưởng, trong đó các nguyên tử đã thay đổi trạng thái (+) thành (-) được so sánh. Để tăng độ ổn định, tần số của nó được so sánh liên tục với các dao động của một chất phân biệt lượng tử (nguyên tử hoặc phân tử). Khi xảy ra sự chênh lệch dao động, bộ phận điện tử sẽ điều chỉnh tần số của bộ dao động thạch anh về 0, từ đó tăng độ ổn định và độ chính xác của đồng hồ lên mức mong muốn.

Trong thế giới hiện đại, đồng hồ nguyên tử có thể được sản xuất ở bất kỳ nước nào trên thế giới để sử dụng trong Cuộc sống hàng ngày. Chúng có kích thước rất nhỏ và đẹp. Đồng hồ nguyên tử mới nhất không lớn hơn hộp diêm và có mức tiêu thụ điện năng thấp dưới 1 watt. Và đây không phải là giới hạn, có lẽ trong tương lai tiến bộ kỹ thuật sẽ đến với điện thoại di động. Trong khi đó, đồng hồ nguyên tử nhỏ gọn chỉ được lắp trên tên lửa chiến lược để tăng độ chính xác dẫn đường lên gấp nhiều lần.

Ngày nay, đồng hồ nguyên tử dành cho nam và nữ, phù hợp với mọi sở thích và túi tiền, bạn có thể mua tại các cửa hàng trực tuyến.

Năm 2011, đồng hồ nguyên tử nhỏ nhất thế giới đã được tạo ra bởi các chuyên gia từ Phòng thí nghiệm quốc gia Symmetricom và Sandia. Đồng hồ này nhỏ gọn hơn 100 lần so với các phiên bản thương mại trước đây. Kích thước của đồng hồ bấm giờ nguyên tử không lớn hơn hộp diêm. Để hoạt động, nó chỉ cần 100 mW điện năng - ít hơn 100 lần so với các phiên bản tiền nhiệm.

Có thể giảm kích thước của đồng hồ bằng cách lắp đặt thay cho lò xo và bánh răng một cơ cấu hoạt động theo nguyên lý xác định tần số sóng điện từ do nguyên tử Caesium phát ra dưới tác dụng của chùm tia laser sức mạnh không đáng kể.

Những đồng hồ như vậy được sử dụng trong điều hướng, cũng như trong công việc của thợ mỏ, thợ lặn, những nơi cần đồng bộ hóa chính xác thời gian với các đồng nghiệp trên bề mặt, cũng như các dịch vụ thời gian chính xác, vì sai số của đồng hồ nguyên tử nhỏ hơn 0,000001 phân số một giây mỗi ngày. Chi phí của chiếc đồng hồ nguyên tử nhỏ kỷ lục Symmetricom vào khoảng 1.500 USD.

Trong thế kỷ 21, định vị vệ tinh đang phát triển với tốc độ nhanh chóng. Bạn có thể xác định vị trí của bất kỳ vật thể nào được kết nối bằng cách nào đó với vệ tinh, có thể là điện thoại di động, ô tô hoặc tàu không gian. Nhưng không điều nào có thể đạt được nếu không có đồng hồ nguyên tử.
Ngoài ra, những chiếc đồng hồ này còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực viễn thông khác nhau, chẳng hạn như Truyền thông di động.Đây là chiếc đồng hồ chính xác nhất từng có, đang và sẽ có. Không có chúng, Internet sẽ không được đồng bộ hóa, chúng ta sẽ không biết khoảng cách đến các hành tinh và ngôi sao khác, v.v.
Tính bằng giờ trên giây, 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ điện từ được thực hiện, phát sinh trong quá trình chuyển đổi giữa hai mức năng lượng của nguyên tử Caesium-133. Những đồng hồ như vậy được gọi là đồng hồ caesium. Nhưng đây chỉ là một trong ba loại đồng hồ nguyên tử. Ngoài ra còn có đồng hồ hydro và rubidium. Tuy nhiên, đồng hồ caesium được sử dụng thường xuyên nhất nên chúng tôi sẽ không đề cập đến các loại khác.

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ nguyên tử Caesium

Tia laser làm nóng các nguyên tử của đồng vị Caesium và tại thời điểm này, bộ cộng hưởng tích hợp sẽ ghi lại tất cả các chuyển đổi của các nguyên tử. Và, như đã đề cập trước đó, sau khi đạt 9.192.631.770 lần chuyển đổi, một giây được tính.

Một tia laser được tích hợp trong vỏ đồng hồ sẽ làm nóng các nguyên tử của đồng vị Caesium. Lúc này, bộ cộng hưởng ghi lại số lần chuyển đổi của nguyên tử sang mức năng lượng mới. Khi đạt đến một tần số nhất định, cụ thể là 9.192.631.770 lần chuyển đổi (Hz), giây sẽ được tính dựa trên hệ SI quốc tế.

Sử dụng trong định vị vệ tinh

Quá trình xác định chính xác vị trí của một vật thể bằng vệ tinh là rất khó khăn. Một số vệ tinh có liên quan đến việc này, cụ thể là hơn 4 vệ tinh trên mỗi máy thu (ví dụ: thiết bị định vị GPS trên ô tô).

Mỗi vệ tinh chứa đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, máy phát vô tuyến vệ tinh và bộ tạo mã kỹ thuật số. Máy phát vô tuyến gửi mã kỹ thuật số và thông tin về vệ tinh tới Trái đất, cụ thể là các thông số quỹ đạo, mô hình, v.v.

Đồng hồ xác định mất bao lâu để mã này đến được người nhận. Như vậy, biết tốc độ lan truyền của sóng vô tuyến sẽ tính được khoảng cách đến máy thu trên Trái đất. Nhưng một vệ tinh là không đủ cho việc này. Máy thu GPS hiện đại có thể nhận tín hiệu từ 12 vệ tinh cùng lúc, điều này cho phép bạn xác định vị trí của vật thể với độ chính xác lên tới 4 mét. Nhân tiện, điều đáng lưu ý là Máy định vị GPS không yêu cầu phí đăng ký.