Ist Ihnen schon einmal aufgefallen, dass Ihre Uhr zu Hause andere Zeiten anzeigt? Und wie kann man verstehen, welche der Optionen richtig ist? Wir werden die Antworten auf all diese Fragen lernen, indem wir das Funktionsprinzip von Atomuhren gründlich studieren.

Atomuhr: Beschreibung und Funktionsprinzip

Lassen Sie uns zuerst verstehen, was der Mechanismus einer Atomuhr ist. Eine Atomuhr ist ein Gerät, das die Zeit misst, aber es verwendet seine eigenen Schwingungen als Periodizität des Prozesses, und alles geschieht auf atomarer und molekularer Ebene. Daher die Genauigkeit.

Man kann mit Sicherheit sagen, dass Atomuhren am genauesten sind! Ihnen ist es zu verdanken, dass das Internet und die GPS-Navigation in der Welt funktionieren, wir kennen die genaue Position der Planeten im Sonnensystem. Der Fehler dieses Geräts ist so minimal, dass wir getrost sagen können, dass es Weltklasse ist! Dank Atomuhren findet auf der ganzen Welt eine Synchronisation statt, es ist bekannt, wo diese oder jene Änderungen sind.

Wer hat diese Wunderuhr erfunden, wer hat sie erfunden und wer hat sie erfunden?

Bereits in den frühen vierziger Jahren des zwanzigsten Jahrhunderts war der Atomstrahl der Magnetresonanz bekannt. Seine Anwendung betraf zunächst überhaupt keine Uhren – es war nur eine Theorie. Aber bereits 1945 schlug Isidor Rabi vor, ein Gerät zu schaffen, dessen Konzept darin bestand, dass sie auf der Grundlage der oben beschriebenen Technik arbeiten. Aber sie waren so angeordnet, dass sie ungenaue Ergebnisse zeigten. Und bereits 1949 informierte das National Bureau of Standards die ganze Welt über die Schaffung der ersten Atomuhr, die auf molekularen Verbindungen von Ammoniak basierte, und bereits 1952 wurden Technologien beherrscht, um einen Prototyp auf der Basis von Cäsiumatomen herzustellen.

Wenn man von den Atomen Ammoniak und Cäsium hört, stellt sich die Frage, aber sind diese wunderbaren Uhren radioaktiv? Die Antwort ist eindeutig - nein! Sie haben keinen atomaren Zerfall.

Heutzutage gibt es viele Materialien, aus denen Atomuhren hergestellt werden. Zum Beispiel ist es Silizium, Quarz, Aluminium und sogar Silber.

Wie funktioniert das Gerät?

Werfen wir einen Blick darauf, wie nuklearbetriebene Uhren aussehen und funktionieren. Dazu bieten wir eine Beschreibung ihrer Arbeit:

Für das korrekte Funktionieren dieser speziellen Uhr wird weder ein Pendel noch ein Quarzoszillator benötigt. Sie nutzen Signale, die durch den Quantenübergang eines Elektrons zwischen zwei Energieniveaus eines Atoms entstehen. Als Ergebnis können wir eine elektromagnetische Welle beobachten. Mit anderen Worten, wir bekommen häufige Schwankungen und eine extrem hohe Systemstabilität. Jedes Jahr werden aufgrund neuer Entdeckungen Prozesse modernisiert. Vor nicht allzu langer Zeit wurden die Spezialisten des National Institute for Standards and Technology (NIST) zu Champions und stellten einen absoluten Weltrekord auf. Sie konnten die Genauigkeit der Atomuhr (basierend auf Strontium) auf die allerminimale Abweichung bringen, nämlich: 15 Milliarden Jahre lang läuft eine Sekunde. Ja, ja, es schien Ihnen nicht, dass dies das Zeitalter ist, das unserem Universum jetzt zugewiesen wird. Das ist eine riesige Entdeckung! Schließlich war es Strontium, das bei dieser Platte die wichtigste Rolle spielte. Als Analogon zum „Ticken“ fungierten die sich bewegenden Atome des Strontiums in seinem räumlichen Gitter, das Wissenschaftler mit einem Laser erzeugten. Wie immer in der Wissenschaft scheint theoretisch alles bezaubernd und bereits verbessert, aber die Instabilität eines solchen Systems kann sich in der Praxis als weniger erfreulich herausstellen. Aufgrund seiner Instabilität erlangte das Cäsium-basierte Gerät weltweite Popularität.

Überlegen Sie nun, woraus ein solches Gerät besteht. Die wichtigsten Details hier sind:

• Quantendiskriminator;
• Quarzgenerator;
• Elektronik.

Ein Quarzoszillator ist eine Art Selbstoszillator, aber um ein Resonanzelement zu erzeugen, verwendet er piezoelektrische Moden eines Quarzkristalls.

Mit einem Quantendiskriminator und einem Quarzoszillator werden sie unter dem Einfluss ihrer Frequenz verglichen, und wenn ein Unterschied festgestellt wird, erfordert die Rückkopplungsschaltung, dass sich der Kristalloszillator auf den erforderlichen Wert einstellt und die Stabilität und Genauigkeit erhöht. Als Ergebnis sehen wir am Ausgang den genauen Wert auf dem Zifferblatt, was die genaue Zeit bedeutet.

Frühe Modelle waren ziemlich groß, aber im Oktober 2013 sorgte BathysHawaii mit der Veröffentlichung von Miniatur-Atomarmbanduhren für Furore.Am Anfang hielten alle diese Aussage für einen Witz, aber es stellte sich bald heraus, dass es wirklich wahr war, und sie funktionieren auf dem Basis der Atomquelle Cäsium 133 Die Sicherheit des Geräts wird dadurch gewährleistet, dass das radioaktive Element in Form eines Gases in einer speziellen Kapsel enthalten ist. Ein Foto dieses Geräts ist um die Welt gestreut.

Viele am Thema Atomuhren interessierte sich für das Thema einer Stromquelle. Der Akku ist ein Lithium-Ionen-Akku. Aber leider ist noch nicht bekannt, wie lange eine solche Batterie hält.

BathysHawaii-Uhren waren wirklich die ersten atomaren Armbanduhren. Zuvor waren bereits Fälle der Veröffentlichung eines relativ tragbaren Geräts bekannt, das jedoch leider keine Atomstromquelle hatte, sondern nur über drahtlosen Funk mit echten Gesamtuhren synchronisiert wurde. Erwähnenswert sind auch die Kosten für ein solches Gerät. Das Vergnügen wurde auf 12.000 US-Dollar geschätzt. Es war klar, dass Uhren mit einem solchen Preis keine große Popularität erlangen würden, aber das Unternehmen strebte dies nicht an, weil sie sie in einer sehr begrenzten Auflage herausbrachten.

Wir kennen mehrere Arten von Atomuhren. Es gibt keine signifikanten Unterschiede in ihrem Design und ihren Prinzipien, aber es gibt immer noch einige Unterschiede. Die wichtigsten liegen also darin, Änderungen und ihre Elemente zu finden. Folgende Arten von Uhren lassen sich unterscheiden:

1. Wasserstoff. Ihre Essenz liegt in der Tatsache, dass Wasserstoffatome auf dem richtigen Energieniveau unterstützt werden, die Wände jedoch aus einem speziellen Material bestehen. Daraus schließen wir, dass es Wasserstoffatome sind, die sehr schnell ihren Energiezustand verlieren.
2. Cäsium. Die Basis dafür sind Cäsiumstrahlen. Es ist erwähnenswert, dass diese Uhren am genauesten sind.
3. Rubidium. Sie sind die einfachsten und sehr kompakt.

Wie bereits erwähnt, sind Atomuhren ein sehr teures Gerät. Damit ist die Taschenuhr Hoptroff No. 10 ein strahlender Vertreter einer neuen Spielzeuggeneration. Der Preis für ein so stilvolles und sehr genaues Accessoire beträgt 78.000 Dollar. Nur 12 Exemplare wurden veröffentlicht. Der Mechanismus dieses Geräts verwendet ein Hochfrequenz-Schwingungssystem, das auch mit einem GPS-Signal ausgestattet ist.

Das Unternehmen hat hier nicht aufgehört und möchte in seiner zehnten Version der Uhr die Methode anwenden, das Uhrwerk in einem Goldgehäuse zu platzieren, das auf einem beliebten 3D-Drucker gedruckt wird. Es ist noch nicht genau berechnet, wie viel Gold für diese Version des Gehäuses verwendet wird, aber der geschätzte Verkaufspreis dieses Meisterwerks ist bereits bekannt - er belief sich auf etwa 50.000 Pfund Sterling. Und dies ist nicht der endgültige Preis, obwohl er alle Forschungsvolumina sowie die Neuheit und Einzigartigkeit des Geräts selbst berücksichtigt.

Historische Fakten über die Verwendung von Uhren

Wie, wenn man über Atomuhren spricht, ganz zu schweigen von den interessantesten Fakten, die mit ihnen und der Zeit im Allgemeinen verbunden sind:

1. Wussten Sie, dass die älteste Sonnenuhr im alten Ägypten gefunden wurde?
2. Der Fehler von Atomuhren ist minimal - er beträgt nur 1 Sekunde für 6 Millionen Jahre.
3. Jeder weiß, dass eine Minute 60 Sekunden hat. Aber nur wenige Menschen haben sich damit beschäftigt, wie viele Millisekunden in einer Sekunde sind? Und es sind nicht viele und nicht wenige – tausend!
4. Jeder Tourist, der London besuchen konnte, wollte Big Ben mit eigenen Augen sehen. Aber leider wissen nicht viele Menschen, dass Big Ben überhaupt kein Turm ist, sondern der Name einer riesigen Glocke, die 13 Tonnen wiegt und im Inneren des Turms läutet.
5. Haben Sie sich jemals gefragt, warum die Zeiger unserer Uhren genau von links nach rechts gehen oder wie wir früher „im Uhrzeigersinn“ sagten? Diese Tatsache hängt direkt damit zusammen, wie sich der Schatten auf der Sonnenuhr bewegt.
6. Die allererste Armbanduhr wurde im Jahr 1812 erfunden. Sie wurden vom Gründer von Breguet für die Königin von Neapel hergestellt.
7. Vor dem Ersten Weltkrieg galten Armbanduhren nur als Accessoire für Frauen, doch schon bald wurden sie aufgrund ihrer Bequemlichkeit auch vom männlichen Teil der Bevölkerung gewählt.

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.

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 um eine Sekunde falsch war, 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 Rubidium-Geräten 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.

Oft hört man den Satz, dass Atomuhren immer die genaue Zeit anzeigen. Aber aus ihrem Namen ist schwer zu verstehen, warum Atomuhren am genauesten sind oder wie sie funktionieren.

Dass der Name das Wort „atomic“ enthält, bedeutet keineswegs, dass die Uhr lebensgefährlich ist, auch wenn sofort Gedanken an eine Atombombe oder ein Atomkraftwerk aufkommen. In diesem Fall sprechen wir nur über das Prinzip der Uhr. Wenn in gewöhnlichen mechanischen Uhren Zahnräder Schwingungsbewegungen ausführen und ihre Bewegungen gezählt werden, dann werden in Atomuhren Schwingungen von Elektronen innerhalb von Atomen gezählt. Um das Funktionsprinzip besser zu verstehen, erinnern wir uns an die Physik der Elementarteilchen.

Alle Substanzen in unserer Welt bestehen aus Atomen. Atome bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Protonen und Neutronen verbinden sich zu einem Kern, der auch Nukleon genannt wird. Um den Kern herum bewegen sich Elektronen, die sich auf unterschiedlichen Energieniveaus befinden können. Das Interessanteste ist, dass ein Elektron beim Aufnehmen oder Abgeben von Energie von seinem Energieniveau auf ein höheres oder niedrigeres wechseln kann. Ein Elektron kann Energie aus elektromagnetischer Strahlung erhalten, indem es bei jedem Übergang elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Frequenz absorbiert oder emittiert.

Meistens handelt es sich um Uhren, bei denen Atome des Elements Cäsium -133 zur Veränderung verwendet werden. Wenn in 1 Sekunde das Pendel herkömmliche Uhren macht 1 Schwingbewegung, dann die Elektronen bei Atomuhren Basierend auf Cäsium-133 geben sie beim Übergang von einem Energieniveau zum anderen elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 9192631770 Hz ab. Es stellt sich heraus, dass eine Sekunde in genau diese Anzahl von Intervallen unterteilt ist, wenn sie in Atomuhren berechnet wird. Dieser Wert wurde 1967 offiziell von der internationalen Gemeinschaft übernommen. Stellen Sie sich ein riesiges Zifferblatt vor, auf dem es nicht 60, sondern 9192631770 Unterteilungen gibt, die nur 1 Sekunde sind. Es ist nicht verwunderlich, dass Atomuhren so genau sind und eine Reihe von Vorteilen haben: Atome altern nicht, verschleißen nicht und die Schwingungsfrequenz ist für ein chemisches Element immer gleich, was einen gleichzeitigen Vergleich ermöglicht, z B. die Ablesungen von Atomuhren weit im Weltraum und auf der Erde, keine Angst vor Fehlern.

Dank Atomuhren konnte die Menschheit in der Praxis die Richtigkeit der Relativitätstheorie testen und sich davon überzeugen, als auf der Erde. Atomuhren sind auf vielen Satelliten und Raumfahrzeugen installiert, sie werden für Telekommunikationszwecke verwendet, für die mobile Kommunikation vergleichen sie die genaue Zeit auf dem gesamten Planeten. Ohne Übertreibung war es der Erfindung der Atomuhr zu verdanken, dass die Menschheit in das Zeitalter der Hochtechnologie eintreten konnte.

Wie funktionieren Atomuhren?

Cäsium-133 wird durch Verdampfen von Cäsiumatomen erhitzt, die durch ein Magnetfeld geleitet werden, wo Atome mit den gewünschten Energiezuständen ausgewählt werden.

Dann durchlaufen die ausgewählten Atome ein Magnetfeld mit einer Frequenz nahe 9192631770 Hz, wodurch ein Quarzoszillator entsteht. Unter dem Einfluss des Feldes ändern die Cäsiumatome erneut ihre Energiezustände und fallen auf den Detektor, der festlegt, wann die meisten ankommenden Atome den „richtigen“ Energiezustand haben werden. Die maximale Anzahl von Atomen mit einem geänderten Energiezustand zeigt an, dass die Frequenz des Mikrowellenfelds richtig gewählt ist, und dann wird ihr Wert in ein elektronisches Gerät eingespeist - einen Frequenzteiler, der die Frequenz um eine ganzzahlige Anzahl von Malen reduziert die Zahl 1, die die Bezugssekunde ist.

So werden die Cäsiumatome verwendet, um die richtige Frequenz des vom Quarzoszillator erzeugten Magnetfelds zu überprüfen und dabei zu helfen, es konstant zu halten.

Das ist interessant: Obwohl die heute existierenden Atomuhren beispiellos genau sind und Millionen von Jahren fehlerfrei laufen können, werden die Physiker hier nicht aufhören. Unter Verwendung von Atomen verschiedener chemischer Elemente arbeiten sie ständig daran, die Genauigkeit von Atomuhren zu verbessern. Von den neuesten Erfindungen - Atomuhren auf Strontium, die dreimal genauer sind als ihr Cäsium-Pendant. Es würde 15 Milliarden Jahre dauern, bis sie nur eine Sekunde hinterherhinken – eine Zeit länger als das Alter unseres Universums …

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Atomuhr 27. Januar 2016

Die Schweiz oder gar Japan wird nicht der Geburtsort der weltweit ersten Taschenuhr mit eingebautem Atomzeitstandard sein. Die Idee zu ihrer Kreation stammt im Herzen Großbritanniens von der in London ansässigen Marke Hoptroff

Atomuhren, oder wie sie auch „Quantenuhren“ genannt werden, sind ein Gerät, das die Zeit anhand natürlicher Schwingungen misst, die mit Prozessen verbunden sind, die auf der Ebene von Atomen oder Molekülen ablaufen. Richard Hoptroff entschied, dass es für moderne Herren, die an Hightech-Geräten interessiert sind, an der Zeit war, ihre mechanischen Taschenuhren gegen etwas Extravaganteres und Außergewöhnlicheres auszutauschen, das auch den modernen urbanen Trends entspricht.

So wurde der Öffentlichkeit eine elegante Taschen-Atomuhr Hoptroff No. 10, die die moderne Generation, die von einer Fülle von Gadgets verführt wird, nicht nur mit ihrem Retro-Stil und ihrer fantastischen Genauigkeit, sondern auch mit ihrer Lebensdauer überraschen kann. Laut den Entwicklern können Sie mit dieser Uhr mindestens 5 Milliarden Jahre lang die pünktlichste Person bleiben.

Was können Sie sonst noch Interessantes über sie herausfinden ...

Foto 2.

Für alle, die sich noch nie für solche Uhren interessiert haben, lohnt es sich, kurz das Funktionsprinzip zu beschreiben. Im Inneren des „atomaren Geräts“ gibt es nichts, was einer klassischen mechanischen Uhr ähnelt. In Hoptroff Nr. 10 gibt es keine mechanischen Teile als solche. Stattdessen sind Atomtaschenuhren mit einer versiegelten Kammer ausgestattet, die mit einer radioaktiven gasförmigen Substanz gefüllt ist, deren Temperatur durch einen speziellen Ofen kontrolliert wird. Das genaue Timing ist wie folgt: Laser regen die Atome eines chemischen Elements an, das eine Art „Füllstoff“ der Uhr ist, und der Resonator erfasst und misst jeden atomaren Übergang. Das Grundelement solcher Geräte ist heute Cäsium. Wenn wir uns an das SI-Einheitensystem erinnern, dann ist darin der Wert einer Sekunde mit der Anzahl der Perioden elektromagnetischer Strahlung während des Übergangs von Cäsium-133-Atomen von einem Energieniveau zum anderen verbunden.

Foto 3.

Gilt bei Smartphones der Prozessorchip als Herzstück des Geräts, dann ist bei Hoptroff No. 10 übernimmt diese Rolle der Modul-Generator der Referenzzeit. Er wird von Symmetricom geliefert, und der Chip selbst war ursprünglich auf den Einsatz in der Militärindustrie ausgerichtet – in unbemannten Luftfahrzeugen.

Die CSAC-Atomuhr ist mit einem temperaturgeregelten Thermostat ausgestattet, der eine Cäsiumdampfkammer enthält. Unter dem Einfluss eines Lasers auf Cäsium-133-Atome beginnt deren Übergang von einem Energiezustand in einen anderen, für dessen Messung ein Mikrowellenresonator verwendet wird. Seit 1967 definiert das Internationale Einheitensystem (SI) eine Sekunde als 9.192.631.770 Perioden elektromagnetischer Strahlung, die aus dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entstehen. Ausgehend davon ist eine technisch genauere Uhr auf Cäsiumbasis kaum vorstellbar. Mit der Zeit, mit den jüngsten Fortschritten in der Zeitmessung, werden neue optische Uhren, die auf einem Aluminiumion basieren, das mit ultravioletter Frequenz (100.000 mal die Mikrowellenfrequenz von Cäsiumuhren) pulsiert, hundertmal genauer sein als Atomuhren. Einfach ausgedrückt: Die neue Taschenuhr Nr. 10 von Hoptroff hat eine Genauigkeit von 0,0015 Sekunden pro Jahr, 2,4 Millionen Mal besser als die COSC-Standards.

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Auch die funktionale Seite des Gerätes grenzt an Fantasie. Damit können Sie herausfinden: Uhrzeit, Datum, Wochentag, Jahr, Breiten- und Längengrad in verschiedenen Werten, Druck, Luftfeuchtigkeit, Sternstunden und -minuten, Gezeitenvorhersage und viele andere Indikatoren. Die Uhr ist in Gold erhältlich, und es ist geplant, das Edelmetallgehäuse mithilfe von 3D-Druck herzustellen.

Richard Hoptrof ist der festen Überzeugung, dass diese spezielle Produktionsoption für seine Nachkommen die beste ist. Um die Designkomponente des Designs geringfügig zu ändern, muss die Produktionslinie überhaupt nicht umgebaut werden, sondern die funktionale Flexibilität des 3D-Druckgeräts wird dafür genutzt. Es ist zwar erwähnenswert, dass die gezeigte Prototypuhr auf klassische Weise hergestellt wurde.

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Zeit ist heutzutage sehr kostbar und die Taschenuhr Hoptroff No. 10 ist eine direkte Bestätigung dafür. Nach vorläufigen Informationen wird die erste Charge von Nukleargeräten 12 Einheiten umfassen, und was die Kosten betrifft, wird der Preis für 1 Exemplar 78.000 US-Dollar betragen.

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Laut Richard Hoptroff, Geschäftsführer der Marke, spielte Hoptroffs Londoner Wohnsitz eine Schlüsselrolle bei der Idee. „Wir verwenden in unseren Quarzuhrwerken ein hochpräzises Schwingsystem mit GPS-Signal. Aber im Zentrum von London ist es nicht so einfach, genau dieses Signal zu empfangen. Einmal sah ich bei einem Ausflug zum Greenwich Observatory dort eine Atomuhr von Hewlett Packard und beschloss, mir über das Internet etwas Ähnliches zu kaufen. Und ich konnte nicht. Stattdessen stieß ich auf Informationen über einen Symmetricon-Chip, und nach drei Tagen des Nachdenkens war mir klar, dass er perfekt für eine Taschenuhr wäre.“

Bei dem Chip handelt es sich um die Cäsium-Atomuhr (CSAC) SA.45s, eine erste Generation von Miniatur-Atomuhren für GPS-Empfänger, Rucksackfunkgeräte und Drohnen. Trotz seiner bescheidenen Abmessungen (40 mm x 34,75 mm) passt es wahrscheinlich nicht in eine Armbanduhr. Daher entschied sich Hoptroff, ein eher solides Taschenmodell (82 mm Durchmesser) damit auszustatten.

Hoptroff No 10 (das zehnte Uhrwerk der Marke) ist nicht nur die genaueste Uhr der Welt, sondern behauptet auch, das erste Goldgehäuse zu sein, das mit 3D-Drucktechnologie hergestellt wurde. Hoptroff ist sich noch nicht sicher, wie viel Gold benötigt wird, um den Fall herzustellen (die Arbeiten am ersten Prototyp waren bei Drucklegung der Ausgabe abgeschlossen), schlägt jedoch vor, dass die Kosten „ein Minimum von mehreren tausend Pfund“ betragen werden. Und mit all der Forschung und Entwicklung, die für die Entwicklung des Produkts erforderlich ist (denken Sie an die Gezeitenfunktion für harmonische Konstanten für 3.000 verschiedene Häfen), würden Sie erwarten, dass der Endverkaufspreis in der Region von 50.000 £ liegen wird.

Goldgehäuse von Modell Nr. 10 am Ausgang des 3D-Druckers und in fertiger Form

Käufer werden automatisch Mitglieder eines exklusiven Clubs und müssen eine schriftliche Verpflichtung unterschreiben, den Atomuhr-Chip nicht als Waffe zu verwenden. „Das ist eine unserer Vertragsbedingungen mit dem Lieferanten“, erklärt Herr Hoptroff, „denn der Atomchip wurde ursprünglich in Raketenlenksystemen verwendet.“ Nicht viel, um eine Uhr mit tadelloser Genauigkeit zu bekommen.

Die glücklichen Besitzer der No.10 von Hoptroff haben viel mehr als nur eine hochpräzise Uhr zur Verfügung. Das Modell dient auch als Taschennavigationssystem, mit dem sich der Längengrad auch nach vielen Jahren auf See mit einem einfachen Sextanten auf eine Seemeile genau bestimmen lässt. Das Modell wird zwei Zifferblätter erhalten, aber das Design von einem davon wird noch geheim gehalten. Die andere ist ein Wirbelsturm von Zählern, die bis zu 28 Komplikationen anzeigen: von allen möglichen chronometrischen Funktionen und Kalenderanzeigen bis hin zu Kompass, Thermometer, Hygrometer (ein Gerät zur Messung der Luftfeuchtigkeit), Barometer, Breiten- und Längenzähler und einem Indikator für hohe / Ebbe. Ganz zu schweigen von den wichtigen Indikatoren für den Zustand des atomaren Thermostats.

Hoptroff plant, eine Reihe neuer Produkte auf den Markt zu bringen, darunter eine elektronische Version der legendären komplizierten Space Traveller-Uhr von George Daniels. Derzeit wird daran gearbeitet, die Bluetooth-Technologie in die Uhr zu integrieren, um die persönlichen Informationen des Trägers zu speichern und eine automatische Anpassung von Komplikationen wie der Mondphasenanzeige zu ermöglichen.

Die ersten Exemplare von No.10 werden nächstes Jahr erscheinen, aber das Unternehmen sucht vorerst nach geeigneten Partnern im Handel. „Wir könnten sicherlich versuchen, es online zu verkaufen, aber dies ist ein Premium-Modell, also müssen Sie es immer noch in Ihren Händen halten, um es zu schätzen. Das bedeutet, dass wir weiterhin die Dienste der Einzelhändler in Anspruch nehmen müssen und bereit sind, Verhandlungen aufzunehmen“, schließt Herr Hoptroff.

Und sogar Der Originalartikel ist auf der Website InfoGlaz.rf Link zum Artikel, aus dem diese Kopie erstellt wurde -