Hochpräzise Atomuhren, die in 300 Millionen Jahren einen Fehler von einer Sekunde machen. Diese Uhr, die ein altes Modell ersetzte, das in hundert Millionen Jahren einen Fehler von einer Sekunde aufwies, setzt jetzt den Standard für die amerikanische Zivilzeit. Lenta.ru beschloss, die Geschichte der Herstellung von Atomuhren in Erinnerung zu rufen.

Erstes Atom

Um eine Uhr zu erstellen, reicht es aus, einen beliebigen periodischen Prozess zu verwenden. Und die Geschichte der Entstehung von Zeitmessinstrumenten ist teilweise die Geschichte der Entstehung entweder neuer Energiequellen oder neuer Schwingungssysteme, die in Uhren verwendet werden. Die einfachste Uhr ist wahrscheinlich die Sonnenuhr, für deren Betrieb nur die Sonne und ein Objekt benötigt werden, das einen Schatten wirft. Die Nachteile dieser Methode der Zeitbestimmung liegen auf der Hand. Auch Wasser und Sanduhren sind nicht besser: Sie eignen sich nur zur Messung relativ kurzer Zeiträume.

Die älteste mechanische Uhr wurde 1901 in der Nähe der Insel Antikythera auf einem gesunkenen Schiff in der Ägäis gefunden. Sie enthalten etwa 30 bronzene Zahnräder in einem 33 mal 18 mal 10 Zentimeter großen Holzkasten und stammen aus der Zeit um 100 v.

Seit fast zweitausend Jahren sind mechanische Uhren die genauesten und zuverlässigsten. Das Erscheinen im Jahre 1657 des klassischen Werkes von Christian Huygens „Pendeluhr“ („Horologium Oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica“) mit einer Beschreibung eines Zeitreferenzgeräts mit einem Pendel als oszillierendem System, war wahrscheinlich die Höhepunkt in der Geschichte der Entwicklung mechanischer Geräte dieser Art.

Astronomen und Navigatoren nutzten jedoch immer noch den Sternenhimmel und Karten, um ihren Standort und die genaue Zeit zu bestimmen. Die erste elektrische Uhr wurde 1814 von Francis Ronalds erfunden. Das erste derartige Instrument war jedoch aufgrund seiner Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen ungenau.

Die weitere Geschichte der Uhren ist mit der Verwendung verschiedener Schwingungssysteme in Geräten verbunden. Quarzuhren wurden 1927 von Mitarbeitern der Bell Labs eingeführt und nutzten die piezoelektrischen Eigenschaften eines Quarzkristalls: Wird elektrischer Strom angelegt, beginnt der Kristall zu schrumpfen. Moderne Quarzchronometer können eine Genauigkeit von bis zu 0,3 Sekunden pro Monat erreichen. Da Quarz jedoch einer Alterung unterliegt, wird die Uhr mit der Zeit ungenauer.

Mit der Entwicklung der Atomphysik schlugen Wissenschaftler vor, Materieteilchen als Schwingungssysteme zu verwenden. So entstand die erste Atomuhr. Die Idee, Atomschwingungen von Wasserstoff zur Zeitmessung zu verwenden, wurde bereits 1879 vom englischen Physiker Lord Kelvin vorgeschlagen, aber dies wurde erst Mitte des 20. Jahrhunderts möglich.

Reproduktion eines Gemäldes von Hubert von Herkomer (1907)

In den 1930er Jahren begann der amerikanische Physiker und Entdecker der Kernspinresonanz, Isidore Rabi, an Cäsium-133-Atomuhren zu arbeiten, doch der Kriegsausbruch hinderte ihn daran. Bereits nach dem Krieg, 1949, wurde am US National Committee of Standards unter Beteiligung von Harold Lyonson die erste molekulare Uhr mit Ammoniakmolekülen geschaffen. Aber die ersten derartigen Instrumente zur Zeitmessung waren nicht so genau wie moderne Atomuhren.

Die relativ geringe Genauigkeit war darauf zurückzuführen, dass sich durch die Wechselwirkung von Ammoniakmolekülen untereinander und mit den Wänden des Behälters, in dem sich diese Substanz befand, die Energie der Moleküle änderte und ihre Spektrallinien verbreiterten. Dieser Effekt ist der Reibung in einer mechanischen Uhr sehr ähnlich.

Später, im Jahr 1955, stellte Louis Esssen vom britischen National Physical Laboratory die erste Cäsium-133-Atomuhr vor. Diese Uhr akkumuliert einen Fehler von einer Sekunde in einer Million Jahren. Das Gerät wurde NBS-1 genannt und begann, als Cäsium-Frequenzstandard betrachtet zu werden.

Das Schaltbild einer Atomuhr besteht aus einem Kristalloszillator, der von einem Rückkopplungsdiskriminator gesteuert wird. Der Oszillator nutzt die piezoelektrischen Eigenschaften von Quarz, während der Diskriminator die Energieschwingungen von Atomen nutzt, sodass die Schwingungen von Quarz durch Signale von Übergängen unterschiedlicher Energieniveaus in Atomen oder Molekülen verfolgt werden. Zwischen Generator und Diskriminator befindet sich ein Kompensator, der auf die Frequenz der Atomschwingungen abgestimmt ist und diese mit der Schwingungsfrequenz des Kristalls vergleicht.

Die in der Uhr verwendeten Atome müssen für stabile Schwingungen sorgen. Jede Frequenz elektromagnetischer Strahlung hat ihre eigenen Atome: Kalzium, Strontium, Rubidium, Cäsium, Wasserstoff. Oder sogar Moleküle von Ammoniak und Jod.

Zeitstandard

Mit dem Aufkommen der Atomzeitmessgeräte wurde es möglich, sie als universelles Normal zur Bestimmung der Sekunde zu verwenden. Seit 1884 ist die Greenwich-Zeit, die als Weltstandard gilt, dem Standard der Atomuhren gewichen. 1967 wurde durch Beschluss der 12. Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine Sekunde als die Dauer von 9192631770 Strahlungsperioden definiert, die dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entsprechen. Diese Definition einer Sekunde hängt nicht von astronomischen Parametern ab und kann überall auf dem Planeten reproduziert werden. Cäsium-133, das in der Standard-Atomuhr verwendet wird, ist das einzige stabile Isotop von Cäsium mit 100 % Häufigkeit auf der Erde.

Atomuhren werden auch im Satellitennavigationssystem verwendet; Sie sind notwendig, um die genaue Zeit und die Koordinaten des Satelliten zu bestimmen. Somit hat jeder Satellit des GPS-Systems vier Sätze solcher Uhren: zwei Rubidium und zwei Cäsium, die eine Signalübertragungsgenauigkeit von 50 Nanosekunden liefern. Die russischen Satelliten des GLONASS-Systems verfügen ebenfalls über Cäsium- und Rubidium-Atomzeitmessgeräte, und die Satelliten des sich entfaltenden europäischen Geopositionierungssystems Galileo sind mit Wasserstoff- und Rubidiuminstrumenten ausgestattet.

Die Genauigkeit von Wasserstoffuhren ist am höchsten. Es sind 0,45 Nanosekunden in 12 Stunden. Anscheinend wird die Verwendung solch genauer Uhren durch Galileo dieses Navigationssystem im Jahr 2015 in den Vordergrund rücken, wenn seine 18 Satelliten im Orbit sein werden.

Kompakte Atomuhr

Hewlett-Packard war das erste Unternehmen, das eine kompakte Atomuhr entwickelte. 1964 schuf sie das Cäsium-Instrument HP 5060A in der Größe eines großen Koffers. Das Unternehmen baute diese Richtung weiter aus, verkaufte aber seit 2005 seine Atomuhrensparte an Symmetricom.

Im Jahr 2011 entwickelten Draper Laboratories und Sandia National Laboratories und Symmetricom veröffentlichte die erste Quantum-Miniatur-Atomuhr. Zum Zeitpunkt der Veröffentlichung kosteten sie etwa 15.000 Dollar, waren in einem versiegelten Gehäuse eingeschlossen, das 40 mal 35 mal 11 Millimeter misst und 35 Gramm wog. Der Stromverbrauch der Uhr lag bei weniger als 120 Milliwatt. Ursprünglich wurden sie im Auftrag des Pentagon entwickelt und sollten Navigationssystemen dienen, die unabhängig von GPS-Systemen funktionieren, beispielsweise tief unter Wasser oder an Land.

Bereits Ende 2013 stellte die amerikanische Firma Bathys Hawaii die erste „Armband“-Atomuhr vor. Als Hauptkomponente verwenden sie den von Symmetricom hergestellten Chip SA.45s. Im Inneren des Chips befindet sich eine Kapsel mit Cäsium-133. Das Design der Uhr umfasst auch Fotozellen und einen Laser mit geringer Leistung. Letzteres sorgt für die Erwärmung von gasförmigem Cäsium, wodurch sich seine Atome von einem Energieniveau zum anderen zu bewegen beginnen. Die Zeitmessung erfolgt nur durch Festlegen eines solchen Übergangs. Die Kosten für das neue Gerät betragen etwa 12.000 Dollar.

Trends in Richtung Miniaturisierung, Autonomie und Genauigkeit werden dazu führen, dass es in naher Zukunft neue Geräte mit Atomuhren in allen Bereichen des menschlichen Lebens geben wird, von der Weltraumforschung über umlaufende Satelliten und Stationen bis hin zu häuslichen Anwendungen in Innen- und Handgelenksystemen.

Im 21. Jahrhundert entwickelt sich die Satellitennavigation rasant. Sie können die Position aller Objekte bestimmen, die irgendwie mit Satelliten verbunden sind, sei es ein Mobiltelefon, ein Auto oder ein Raumschiff. Aber all das hätte ohne Atomuhren nicht erreicht werden können.
Auch diese Uhren werden in verschiedenen Telekommunikationen eingesetzt, beispielsweise in der Mobilkommunikation. Dies ist die genaueste Uhr, die es je gab, gibt und geben wird. Ohne sie wäre das Internet nicht synchronisiert, wir wüssten nicht die Entfernung zu anderen Planeten und Sternen usw.
In Stunden werden 9.192.631.770 Perioden elektromagnetischer Strahlung pro Sekunde aufgenommen, die beim Übergang zwischen zwei Energieniveaus des Cäsium-133-Atoms aufgetreten sind. Solche Uhren werden Cäsiumuhren genannt. Dies ist jedoch nur eine von drei Arten von Atomuhren. Es gibt auch Wasserstoff- und Rubidiumuhren. Am häufigsten werden jedoch Cäsiumuhren verwendet, sodass wir uns nicht mit anderen Typen befassen.

Wie eine Cäsium-Atomuhr funktioniert

Der Laser erhitzt die Atome des Cäsium-Isotops und zu diesem Zeitpunkt registriert der eingebaute Resonator alle Übergänge der Atome. Und wie bereits erwähnt, wird nach Erreichen von 9.192.631.770 Übergängen eine Sekunde gezählt.

Ein im Uhrengehäuse eingebauter Laser erhitzt die Atome des Cäsium-Isotops. Zu diesem Zeitpunkt registriert der Resonator die Anzahl der Übergänge von Atomen auf ein neues Energieniveau. Ab einer bestimmten Frequenz, nämlich 9.192.631.770 Übergänge (Hz), wird nach dem internationalen SI-System eine Sekunde gezählt.

Verwendung in der Satellitennavigation

Die Bestimmung des genauen Standorts eines Objekts mithilfe eines Satelliten ist sehr schwierig. Daran sind mehrere Satelliten beteiligt, nämlich mehr als 4 pro Empfänger (z. B. ein GPS-Navigator im Auto).

Jeder Satellit verfügt über eine hochpräzise Atomuhr, einen Satellitenfunksender und einen digitalen Codegenerator. Der Funksender sendet einen digitalen Code und Informationen über den Satelliten zur Erde, nämlich Umlaufbahnparameter, Modell usw.

Die Uhr bestimmt, wie lange es dauert, bis dieser Code den Empfänger erreicht. Wenn man also die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Funkwellen kennt, wird die Entfernung zum Empfänger auf der Erde berechnet. Aber ein Satellit reicht dafür nicht aus. Moderne GPS-Empfänger können Signale von 12 Satelliten gleichzeitig empfangen, wodurch Sie den Standort eines Objekts mit einer Genauigkeit von bis zu 4 Metern bestimmen können. Übrigens ist es erwähnenswert, dass GPS-Navigatoren keine Abonnementgebühr erfordern.

Letztes Jahr, 2012, war es 45 Jahre her, seit sich die Menschheit entschied, die Atomzeitmessung zu verwenden, um die Zeit so genau wie möglich zu messen. 1967 wurde die internationale Zeitkategorie nicht mehr durch astronomische Skalen bestimmt - sie wurden durch den Cäsium-Frequenzstandard ersetzt. Er war es, der den heute populären Namen Atomuhren erhielt. Die genaue Zeit, die Sie bestimmen können, hat einen unbedeutenden Fehler von einer Sekunde in drei Millionen Jahren, wodurch sie in jedem Winkel der Welt als Zeitstandard verwendet werden können.

Ein bisschen Geschichte

Die Idee, Atomschwingungen zur ultrapräzisen Zeitmessung zu nutzen, wurde erstmals 1879 von dem britischen Physiker William Thomson geäußert. In der Rolle des Emitters von Resonatoratomen schlug dieser Wissenschaftler die Verwendung von Wasserstoff vor. Die ersten Versuche, die Idee in die Praxis umzusetzen, wurden erst in den 1940er Jahren unternommen. zwanzigsten Jahrhunderts. Und die weltweit erste funktionierende Atomuhr erschien 1955 in Großbritannien. Ihr Schöpfer war der britische Experimentalphysiker Dr. Louis Essen. Diese Uhr funktionierte auf der Grundlage von Schwingungen von Cäsium-133-Atomen, und dank ihnen konnten Wissenschaftler endlich die Zeit mit viel größerer Genauigkeit als zuvor messen. Das erste Essener Gerät erlaubte einen Fehler von nicht mehr als einer Sekunde pro hundert Jahre, aber später stieg er um ein Vielfaches und der Fehler pro Sekunde kann sich nur in 2-3 Hundertmillionen Jahren ansammeln.

Atomuhr: So funktioniert es

Wie funktioniert dieses geniale „Gerät“? Als Resonanzfrequenzgenerator verwenden Atomuhren Moleküle oder Atome auf Quantenebene. stellt eine Verbindung zwischen dem System "Atomkern - Elektronen" mit mehreren diskreten Energieniveaus her. Wenn ein solches System mit einer genau festgelegten Häufigkeit betroffen ist, dann wird dieses System von einem niedrigen Niveau zu einem hohen übergehen. Auch der umgekehrte Vorgang ist möglich: der Übergang eines Atoms von einer höheren auf eine niedrigere Ebene, begleitet von der Abgabe von Energie. Diese Phänomene können kontrolliert und alle Energiesprünge aufgezeichnet werden, indem man so etwas wie einen Schwingkreis (auch Atomoszillator genannt) erzeugt. Seine Resonanzfrequenz entspricht der Energiedifferenz zwischen benachbarten atomaren Übergangsniveaus, dividiert durch die Plancksche Konstante.

Ein solcher Schwingkreis hat gegenüber seinen mechanischen und astronomischen Vorgängern unbestreitbare Vorteile. Für einen solchen atomaren Oszillator ist die Resonanzfrequenz der Atome jeder Substanz gleich, was bei Pendeln und Piezokristallen nicht der Fall ist. Außerdem ändern Atome ihre Eigenschaften im Laufe der Zeit nicht und nutzen sich nicht ab. Daher sind Atomuhren äußerst genaue und nahezu ewige Chronometer.

Genaue Zeit und moderne Technologien

Telekommunikationsnetze, Satellitenkommunikation, GPS, NTP-Server, elektronische Transaktionen an der Börse, Online-Auktionen, der Ablauf des Ticketkaufs über das Internet – all diese und viele weitere Phänomene sind längst fest in unserem Leben verankert. Aber wenn die Menschheit die Atomuhr nicht erfunden hätte, wäre das alles einfach nicht passiert. Genaue Zeit, Synchronisation, mit der Sie Fehler, Verzögerungen und Verzögerungen minimieren können, ermöglicht es einer Person, das Beste aus dieser unschätzbaren, unersetzlichen Ressource zu machen, die nie zu viel ist.

Isidore Rabi, Physikprofessor an der Columbia University, schlug ein nie zuvor gesehenes Projekt vor: eine Uhr, die nach dem Prinzip eines Atomstrahls der Magnetresonanz funktioniert. Dies geschah 1945, und bereits 1949 veröffentlichte das National Bureau of Standards den ersten funktionierenden Prototyp. Es las Schwingungen des Ammoniakmoleküls. Cäsium kam viel später ins Geschäft: Das NBS-1-Modell erschien erst 1952.

Das National Physical Laboratory in England schuf 1955 die erste Cäsiumstrahluhr. Mehr als zehn Jahre später wurde während der Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine fortschrittlichere Uhr vorgestellt, die ebenfalls auf Schwingungen im Cäsiumatom basierte. Das Modell NBS-4 wurde bis 1990 verwendet.

Uhrentypen

Derzeit gibt es drei Arten von Atomuhren, die ungefähr nach dem gleichen Prinzip funktionieren. Die Cäsiumuhr, die genaueste, trennt das Cäsiumatom mit einem Magnetfeld. Die einfachste Atomuhr, die Rubidiumuhr, verwendet Rubidiumgas, das in einem Glaskolben eingeschlossen ist. Und schließlich nehmen Wasserstoffatomuhren Wasserstoffatome, die in einer Hülle aus einem speziellen Material eingeschlossen sind, als Bezugspunkt - es erlaubt Atomen nicht, schnell Energie zu verlieren.

Wie spät ist es

1999 schlug das US National Institute of Standards and Technology (NIST) eine noch fortschrittlichere Version der Atomuhr vor. Das NIST-F1-Modell hat einen Fehler von nur einer Sekunde in zwanzig Millionen Jahren.

Meistens richtig

Aber die NIST-Physiker hörten hier nicht auf. Die Wissenschaftler beschlossen, einen neuen Chronometer zu entwickeln, diesmal auf der Basis von Strontiumatomen. Die neue Uhr läuft mit 60 % des Vorgängermodells, was bedeutet, dass sie nicht in zwanzig Millionen Jahren, sondern in bis zu fünf Milliarden Jahren eine Sekunde verliert.

Zeitmessung

Ein internationales Abkommen hat die einzige exakte Frequenz für die Resonanz eines Cäsiumteilchens festgelegt. Das sind 9.192.631.770 Hertz – die Division des Ausgangssignals durch diese Zahl ergibt genau einen Zyklus pro Sekunde.

Eine Sensation hat sich in der wissenschaftlichen Welt verbreitet - die Zeit verdunstet aus unserem Universum! Bisher ist dies nur eine Hypothese spanischer Astrophysiker. Dass der Lauf der Zeit auf der Erde und im Weltraum jedoch unterschiedlich ist, wurde bereits von Wissenschaftlern bewiesen. Die Zeit fließt unter dem Einfluss der Schwerkraft langsamer und beschleunigt sich, wenn Sie sich vom Planeten entfernen. Die Aufgabe, irdische und kosmische Zeit zu synchronisieren, übernehmen Wasserstoff-Frequenznormale, die auch „Atomuhren“ genannt werden.

Die erste Atomzeit erschien zusammen mit dem Aufkommen der Raumfahrt, Atomuhren erschienen Mitte der 1920er Jahre. Jetzt sind Atomuhren alltäglich geworden, jeder von uns benutzt sie jeden Tag: Sie arbeiten mit digitaler Kommunikation, GLONAS, Navigation und Transport.

Handybesitzer denken kaum darüber nach, wie viel Arbeit im Weltraum für die enge Zeitsynchronisation geleistet wird, aber wir sprechen hier nur von Millionstelsekunden.

Der Standard der genauen Zeit wird in der Region Moskau im Wissenschaftlichen Institut für physikalisch-technische und radiotechnische Messungen gespeichert. Weltweit gibt es 450 solcher Uhren.

Russland und die USA sind die Monopolisten für Atomuhren, aber in den USA arbeiten die Uhren auf der Basis von Cäsium, einem radioaktiven Metall, das sehr umweltschädlich ist, und in Russland auf der Basis von Wasserstoff, einem sichereren langlebigen Material.

Diese Uhr hat kein Zifferblatt und keine Zeiger: Sie sieht aus wie ein großes Fass aus seltenen und wertvollen Metallen, gefüllt mit den fortschrittlichsten Technologien - hochpräzisen Messinstrumenten und Geräten mit atomaren Standards. Der Prozess ihrer Entstehung ist sehr langwierig, komplex und findet unter Bedingungen absoluter Sterilität statt.

Seit 4 Jahren untersucht die auf dem russischen Satelliten installierte Uhr dunkle Energie. Nach menschlichen Maßstäben verlieren sie in vielen Millionen Jahren um 1 Sekunde an Genauigkeit.

Sehr bald wird auf Spektr-M eine Atomuhr installiert, ein Weltraumobservatorium, das sehen wird, wie Sterne und Exoplaneten entstehen, und über den Rand eines Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie hinausblicken wird. Laut Wissenschaftlern fließt die Zeit hier aufgrund der ungeheuren Schwerkraft so langsam, dass sie fast stehen bleibt.

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