Oletko koskaan huomannut, että kellosi kotona näyttää eri aikoja? Ja kuinka ymmärtää, mikä kaikista vaihtoehdoista on oikea? Opimme vastaukset kaikkiin näihin kysymyksiin tutkimalla perusteellisesti atomikellojen toimintaperiaatetta.

Atomikello: kuvaus ja toimintaperiaate

Ymmärrämme ensin, mikä atomikellon mekanismi on. Atomikello on laite, joka mittaa aikaa, mutta se käyttää omaa värähtelyään prosessin jaksottavuutena ja kaikki tapahtuu atomi- ja molekyylitasolla. Siksi tarkkuus.

On turvallista sanoa, että atomikellot ovat tarkimpia! Heidän ansiostaan ​​Internet ja GPS-navigointi toimivat maailmassa, tiedämme planeettojen tarkan sijainnin aurinkokunnassa. Tämän laitteen virhe on niin minimaalinen, että voimme vakuuttavasti sanoa, että ne ovat maailmanluokan! Atomikellojen ansiosta koko maailman synkronointi tapahtuu, tiedetään missä tietyt muutokset sijaitsevat.

Kuka keksi, kuka loi ja myös kuka keksi tämän ihmekellon?

1900-luvun 40-luvun alussa tiedettiin magneettisen resonanssin atomisäteestä. Aluksi sen sovellus ei koskenut kelloja millään tavalla - se oli vain teoria. Mutta jo vuonna 1945 Isidor Rabi ehdotti laitteen luomista, jonka ideana oli, että ne toimivat yllä olevan tekniikan perusteella. Mutta ne oli järjestetty siten, että ne osoittivat epätarkkoja tuloksia. Ja jo vuonna 1949 National Bureau of Standards ilmoitti koko maailmalle ensimmäisen atomikellon luomisesta, joka perustui ammoniakin molekyyliyhdisteisiin, ja jo vuonna 1952 hallittiin teknologiat cesiumatomeihin perustuvan prototyypin luomiseksi.

Ammoniakin ja cesiumin atomeista kuultuaan herää kysymys, mutta ovatko nämä upeat kellot radioaktiivisia? Vastaus on yksiselitteinen - ei! Niissä ei ole atomihajoamista.

Nykyään on monia materiaaleja, joista atomikellot valmistetaan. Se on esimerkiksi piitä, kvartsia, alumiinia ja jopa hopeaa.

Miten laite toimii?

Katsotaanpa, miltä ydinkäyttöiset kellot näyttävät ja toimivat. Tätä varten tarjoamme kuvauksen heidän työstään:

Tämän kellon oikeaan toimintaan ei tarvita heiluria eikä kvartsioskillaattoria. He käyttävät signaaleja, jotka syntyvät yhden elektronin kvanttisiirrosta atomin kahden energiatason välillä. Tämän seurauksena pystymme tarkkailemaan sähkömagneettista aaltoa. Toisin sanoen saamme toistuvia vaihteluita ja erittäin korkean järjestelmän vakauden. Joka vuosi uusien löytöjen ansiosta prosesseja modernisoidaan. Ei niin kauan sitten National Institute fStandardsand Technologyn (NIST) asiantuntijat tulivat mestareiksi ja asettivat absoluuttisen maailmanennätyksen. He pystyivät saattamaan atomikellon tarkkuuden (perustuen strontiumiin) minimipoikkeamaan, nimittäin: 15 miljardin vuoden ajan yksi sekunti juoksee. Kyllä, kyllä, sinusta ei tuntunut siltä, ​​että tämä on se ikä, joka nyt määrätään universumillemme. Tämä on valtava löytö! Loppujen lopuksi strontiumilla oli tärkein rooli tässä levyssä. Sen avaruudellisessa hilassa olevat strontiumin liikkuvat atomit, jotka tiedemiehet loivat laserilla, toimivat "tikityksen" analogina. Kuten aina tieteessä, teoriassa kaikki näyttää lumoavalta ja jo parantuneelta, mutta tällaisen järjestelmän epävakaus voi osoittautua käytännössä vähemmän iloiseksi. Cesiumpohjainen laite saavutti maailmanlaajuisen suosion sen epävakauden vuoksi.

Mieti nyt, mistä tällainen laite koostuu. Tärkeimmät tiedot tässä ovat:

• kvanttidiskriminaattori;
• kvartsi generaattori;
• elektroniikka.

Kvartsioskillaattori on eräänlainen itseoskillaattori, mutta resonanssielementin tuottamiseksi se käyttää kvartsikiteen pietsosähköisiä moodeja.

Kvanttidiskriminaattorilla ja kvartsioskillaattorilla niitä verrataan niiden taajuuden vaikutuksesta, ja eron havaittuaan takaisinkytkentäpiiri vaatii kideoskillaattorin sopeutumista vaadittuun arvoon ja lisää vakautta ja tarkkuutta. Seurauksena on, että lähdössä näemme valitsimessa tarkan arvon, mikä tarkoittaa tarkkaa aikaa.

Varhaiset mallit olivat melko suuria, mutta lokakuussa 2013 BathysHawaii teki loisteen julkaisi pienoisatomirannekellot. Aluksi kaikki pitivät tätä väitettä vitsinä, mutta pian kävi ilmi, että se oli todella totta, ja ne toimivat atomilähteen Cesium 133 pohjalta Laitteen turvallisuuden takaa se, että radioaktiivinen elementti on kaasun muodossa erityisessä kapselissa. Laitteesta kuva on hajallaan ympäri maailmaa.

Monet atomikelloista kiinnostuneet ovat kiinnostuneita virtalähteestä. Akku on litiumioniakku. Mutta valitettavasti ei ole vielä tiedossa, kuinka kauan tällainen akku kestää.

BathysHawaii-kellot olivat todella ensimmäisiä atomirannekelloja. Aikaisemmin tunnettiin jo suhteellisen kannettavan laitteen julkaisutapaukset, mutta valitettavasti sillä ei ollut atomivirtalähdettä, vaan se vain synkronoitiin todellisten yleiskellojen kanssa langattoman radion kautta. On myös syytä mainita tällaisen vempaimen hinta. Nautinnon arvoksi arvioitiin 12 tuhatta Yhdysvaltain dollaria. Oli selvää, että sellaisella hinnalla kellot eivät saavuttaisi suurta suosiota, mutta yritys ei pyrkinyt tähän, koska he julkaisivat niitä hyvin rajoitetussa erässä.

Tunnemme useita atomikellotyyppejä. Niiden suunnittelussa ja periaatteissa ei ole merkittäviä eroja, mutta eroja on silti. Tärkeimmät ovat siis keinot löytää muutoksia ja niiden elementtejä. Seuraavat kellotyypit voidaan erottaa:

1. Vety. Niiden ydin on siinä, että vetyatomit on tuettu oikealla energiatasolla, mutta seinät on valmistettu erikoismateriaalista. Tämän perusteella päättelemme, että vetyatomit menettävät erittäin nopeasti energiatilansa.
2. cesium. Niiden perustana ovat cesiumpalkit. On syytä huomata, että nämä kellot ovat tarkimpia.
3. Rubidium. Ne ovat yksinkertaisimpia ja erittäin kompakteja.

Kuten aiemmin mainittiin, atomikellot ovat erittäin kallis vempain. Siten taskukello Hoptroff No. 10 on uuden sukupolven lelujen kirkas edustaja. Tällaisen tyylikkään ja erittäin tarkan lisävarusteen hinta on 78 tuhatta dollaria. Vain 12 kappaletta julkaistiin. Tämän laitteen mekanismi käyttää korkeataajuista värähtelyjärjestelmää, joka on myös varustettu GPS-signaalilla.

Yritys ei pysähtynyt tähän, ja kellon kymmenennessä versiossaan se haluaa soveltaa menetelmää sijoittaa liike kultakoteloon, joka tulostetaan suositulle 3D-tulostimelle. Vielä ei ole laskettu tarkasti, kuinka paljon kultaa käytetään tällaiseen kotelon versioon, mutta tämän mestariteoksen arvioitu vähittäismyyntihinta on jo tiedossa - se oli noin 50 tuhatta puntaa. Ja tämä ei ole lopullinen hinta, vaikka siinä otetaan huomioon kaikki tutkimusmäärät sekä itse gadgetin uutuus ja ainutlaatuisuus.

Historiallisia faktoja kellojen käytöstä

Kuinka, kun puhutaan atomikelloista, puhumattakaan mielenkiintoisimmista faktoista, jotka liittyvät niihin ja aikaan yleensä:

1. Tiesitkö, että vanhin aurinkokello löydettiin muinaisesta Egyptistä?
2. Atomikellojen virhe on minimaalinen - se on vain 1 sekunti 6 miljoonalla vuodella.
3. Kaikki tietävät, että minuutissa on 60 sekuntia. Mutta harvat ihmiset syventyivät siihen, kuinka monta millisekuntia on sekunnissa? Ja niitä ei ole monta eikä vähän - tuhat!
4. Jokainen Lontoossa vieraileva turisti halusi varmasti nähdä Big Benin omin silmin. Mutta valitettavasti monet eivät tiedä, että Big Ben ei ole torni, vaan valtavan, 13 tonnia painavan kellon nimi, joka soi tornin sisällä.
5. Oletko koskaan miettinyt, miksi kellojemme osoittimet kulkevat täsmälleen vasemmalta oikealle tai kuinka meillä oli tapana sanoa "myötäpäivään"? Tämä tosiasia liittyy suoraan siihen, kuinka varjo liikkuu aurinkokellossa.
6. Ensimmäinen rannekello keksittiin vuonna 1812. Breguetin perustaja teki ne Napolin kuningatarta varten.
7. Ennen ensimmäistä maailmansotaa rannekelloja pidettiin vain naisten asusteena, mutta pian niiden mukavuuden vuoksi valittiin myös väestön miespuolinen osa.

2000-luvulla satelliittinavigointi kehittyy nopeaa vauhtia. Voit määrittää minkä tahansa satelliitteihin jollain tavalla yhteydessä olevien esineiden sijainnin, olipa kyseessä sitten matkapuhelin, auto tai avaruusalus. Mutta mitään tästä ei olisi voitu saavuttaa ilman atomikelloja.
Näitä kelloja käytetään myös erilaisissa tietoliikenteessä, esimerkiksi matkaviestinnässä. Tämä on tarkin kello, joka on koskaan ollut, on ja tulee olemaan. Ilman niitä Internet ei olisi synkronoitu, emme tietäisi etäisyyttä muihin planeetoihin ja tähtiin jne.
Tunteissa otetaan 9 192 631 770 jaksoa sähkömagneettista säteilyä sekunnissa, mikä tapahtui siirtymävaiheessa cesium-133-atomin kahden energiatason välillä. Tällaisia ​​kelloja kutsutaan cesiumkelloiksi. Mutta tämä on vain yksi kolmesta atomikellotyypistä. Siellä on myös vety- ja rubidiumkelloja. Useimmiten käytetään kuitenkin cesiumkelloja, joten emme käsittele muita tyyppejä.

Kuinka cesiumatomikello toimii

Laser lämmittää cesiumin isotoopin atomeja ja tällä hetkellä sisäänrakennettu resonaattori rekisteröi kaikki atomien siirtymät. Ja kuten aiemmin mainittiin, 9 192 631 770 siirtymän saavuttamisen jälkeen lasketaan yksi sekunti.

Kellon koteloon sisäänrakennettu laser lämmittää cesiumin isotoopin atomeja. Tällä hetkellä resonaattori rekisteröi atomien siirtymien lukumäärän uudelle energiatasolle. Kun tietty taajuus saavutetaan, nimittäin 9 192 631 770 siirtymää (Hz), sekunti lasketaan kansainvälisen SI-järjestelmän perusteella.

Käytä satelliittinavigaatiossa

Objektin tarkan sijainnin määrittäminen satelliitin avulla on erittäin vaikeaa. Tähän liittyy useita satelliitteja, nimittäin enemmän kuin 4 vastaanotinta kohden (esimerkiksi GPS-navigaattori autossa).

Jokaisessa satelliitissa on erittäin tarkka atomikello, satelliittiradiolähetin ja digitaalinen koodigeneraattori. Radiolähetin lähettää Maahan digitaalisen koodin ja satelliitin tiedot, nimittäin rataparametrit, mallin jne.

Kello määrittää, kuinka kauan tämän koodin saapuminen vastaanottimeen kestää. Näin ollen, kun tiedetään radioaaltojen etenemisnopeus, lasketaan etäisyys maan päällä olevaan vastaanottimeen. Mutta yksi satelliitti ei riitä tähän. Nykyaikaiset GPS-vastaanottimet voivat vastaanottaa signaaleja 12 satelliitista samanaikaisesti, mikä mahdollistaa kohteen sijainnin määrittämisen jopa 4 metrin tarkkuudella. Muuten on syytä huomata, että GPS-navigaattorit eivät vaadi tilausmaksua.

Erittäin tarkat atomikellot, jotka tekevät yhden sekunnin virheen 300 miljoonassa vuodessa. Tämä kello, joka korvasi vanhan mallin, jossa oli yhden sekunnin virhe sadassa miljoonassa vuodessa, asettaa nyt standardin amerikkalaiselle siviiliajalle. Lenta.ru päätti muistuttaa atomikellojen luomisen historiasta.

Ensimmäinen atomi

Kellon luomiseksi riittää, että käytät mitä tahansa jaksoittaista prosessia. Ja ajanmittauslaitteiden syntyhistoria on osittain historiaa joko uusien energialähteiden tai uusien kelloissa käytettävien oskillaatiojärjestelmien syntymisestä. Yksinkertaisin kello on luultavasti aurinkokello, joka vaatii toimiakseen vain auringon ja varjon luovan esineen. Tämän ajan määritysmenetelmän haitat ovat ilmeisiä. Vesi ja tiimalasit eivät myöskään ole parempia: ne sopivat vain suhteellisen lyhyiden ajanjaksojen mittaamiseen.

Vanhin mekaaninen kello löydettiin vuonna 1901 Antikytheran saaren läheltä Egeanmerellä upotetulta alukselta. Niissä on noin 30 pronssista hammaspyörää puukotelossa, jonka mitat ovat 33 x 18 x 10 senttimetriä ja jotka ovat peräisin noin vuodelta 100 eaa.

Lähes kahden tuhannen vuoden ajan mekaaniset kellot ovat olleet tarkimpia ja luotettavimpia. Christian Huygensin klassisen teoksen "Heilurikello" ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica") ilmestyminen vuonna 1657, jossa on kuvaus aikareferenssilaitteesta, jossa on heiluri värähtelyjärjestelmänä, oli luultavasti apogee tämän tyyppisten mekaanisten laitteiden kehityksen historiassa.

Tähtitieteilijät ja navigaattorit käyttivät kuitenkin edelleen tähtitaivasta ja karttoja sijaintinsa ja tarkan ajan määrittämiseen. Ensimmäisen sähkökellon keksi Francis Ronalds vuonna 1814. Ensimmäinen tällainen instrumentti oli kuitenkin epätarkka, koska se oli herkkä lämpötilan muutoksille.

Kellojen myöhempi historia liittyy erilaisten värähtelyjärjestelmien käyttöön laitteissa. Bell Labsin työntekijät esittelivät vuonna 1927 kvartsikellot, joissa käytettiin kvartsikiteen pietsosähköisiä ominaisuuksia: kun siihen kohdistetaan sähkövirta, kide alkaa kutistua. Nykyaikaiset kvartsikronometrit voivat saavuttaa jopa 0,3 sekunnin tarkkuuden kuukaudessa. Koska kvartsi kuitenkin vanhenee, kellosta tulee ajan myötä vähemmän tarkka.

Atomifysiikan kehittyessä tutkijat ehdottivat aineen hiukkasten käyttöä värähtelyjärjestelminä. Näin ilmestyi ensimmäinen atomikello. Englantilainen fyysikko Lord Kelvin ehdotti ajatusta vedyn atomivärähtelyjen käyttämisestä ajan mittaamiseen jo vuonna 1879, mutta tämä tuli mahdolliseksi vasta 1900-luvun puolivälissä.

Jäljennös Hubert von Herkomerin maalauksesta (1907)

1930-luvulla amerikkalainen fyysikko ja ydinmagneettisen resonanssin keksijä Isidore Rabi alkoi työskennellä cesium-133-atomikellojen parissa, mutta sodan puhkeaminen esti hänet. Jo sodan jälkeen, vuonna 1949, ensimmäinen ammoniakkimolekyylejä käyttävä molekyylikello luotiin Yhdysvaltain kansallisessa standardikomiteassa Harold Lyonsonin osallistuessa. Mutta ensimmäiset tällaiset ajan mittauslaitteet eivät olleet yhtä tarkkoja kuin nykyaikaiset atomikellot.

Suhteellisen alhainen tarkkuus johtui siitä, että ammoniakkimolekyylien vuorovaikutuksesta toistensa kanssa ja säiliön seinien kanssa, jossa tämä aine sijaitsi, molekyylien energia muuttui ja niiden spektriviivat laajenivat. Tämä vaikutus on hyvin samanlainen kuin mekaanisen kellon kitka.

Myöhemmin, vuonna 1955, Louis Esssen Ison-Britannian kansallisesta fysikaalisesta laboratoriosta esitteli ensimmäisen cesium-133-atomikellon. Tämä kello keräsi yhden sekunnin virheen miljoonassa vuodessa. Laite sai nimekseen NBS-1, ja sitä alettiin pitää cesiumin taajuusstandardina.

Atomikellon piirikaavio koostuu kideoskillaattorista, jota ohjataan takaisinkytkentäerottimella. Oskillaattori käyttää kvartsin pietsosähköisiä ominaisuuksia, kun taas erottelija käyttää atomien energiavärähtelyjä, jolloin kvartsin värähtelyjä seurataan atomien tai molekyylien eri energiatasojen siirtymistä tulevilla signaaleilla. Generaattorin ja erottimen välissä on kompensaattori, joka on viritetty atomivärähtelytaajuudelle ja vertaa sitä kiteen värähtelytaajuuteen.

Kellossa käytettyjen atomien tulee tarjota vakaat värähtelyt. Jokaisella sähkömagneettisen säteilyn taajuudella on omat atominsa: kalsium, strontium, rubidium, cesium, vety. Tai jopa ammoniakin ja jodin molekyylejä.

aikastandardi

Atomiajan mittauslaitteiden tultua mahdolliseksi käyttää niitä yleisenä standardina toisen määrittämiseen. Vuodesta 1884 lähtien maailmanstandardina pidetty Greenwichin aika on väistynyt atomikellojen standardille. Vuonna 1967 12. yleisen paino- ja mittakonferenssin päätöksellä yksi sekunti määriteltiin 9192631770 säteilyjakson kestoksi, joka vastasi siirtymää cesium-133-atomin perustilan kahden hyperhienon tason välillä. Tämä sekunnin määritelmä ei riipu tähtitieteellisistä parametreista, ja se voidaan toistaa missä tahansa planeetalla. Cesium-133, jota käytetään tavallisessa atomikellossa, on ainoa vakaa cesiumin isotooppi, jota on 100-prosenttisesti esiintynyt maan päällä.

Atomikelloja käytetään myös satelliittinavigointijärjestelmässä; ne ovat välttämättömiä satelliitin tarkan ajan ja koordinaattien määrittämiseksi. Siten jokaisessa GPS-järjestelmän satelliitissa on neljä sarjaa tällaisia ​​kelloja: kaksi rubidium ja kaksi cesium, jotka tarjoavat signaalin lähetystarkkuuden 50 nanosekuntia. GLONASS-järjestelmän venäläisillä satelliiteilla on myös cesiumin ja rubidiumin atomiaikamittauslaitteet ja avautuvan eurooppalaisen geopaikannusjärjestelmän Galileon satelliitit on varustettu vety- ja rubidium-satelliiteilla.

Vetykellojen tarkkuus on suurin. Se on 0,45 nanosekuntia 12 tunnissa. Ilmeisesti Galileon tällaisten tarkkojen kellojen käyttö tuo tämän navigointijärjestelmän etualalle vuonna 2015, jolloin sen 18 satelliittia ovat kiertoradalla.

Kompakti atomikello

Hewlett-Packard oli ensimmäinen yritys, joka kehitti kompaktin atomikellon. Vuonna 1964 hän loi HP 5060A -cesium-instrumentin, joka oli suuren matkalaukun kokoinen. Yhtiö jatkoi tämän suunnan kehittämistä, mutta vuodesta 2005 lähtien se on myynyt atomikellodivisioonansa Symmetricomille.

Vuonna 2011 Draper Laboratories ja Sandia National Laboratories kehittivät ja Symmetricom julkaisi ensimmäisen Quantum-pienoisatomikellon. Julkaisuhetkellä ne maksoivat noin 15 tuhatta dollaria, ne suljettiin suljetussa kotelossa, jonka mitat olivat 40 x 35 x 11 millimetriä ja painoivat 35 grammaa. Kellon virrankulutus oli alle 120 milliwattia. Alun perin ne kehitettiin Pentagonin tilauksesta ja ne oli tarkoitettu palvelemaan navigointijärjestelmiä, jotka toimivat GPS-järjestelmistä riippumatta esimerkiksi syvällä veden alla tai maassa.

Jo vuoden 2013 lopussa amerikkalainen yritys Bathys Hawaii esitteli ensimmäisen "rannekellon" atomikellon. He käyttävät pääkomponenttina Symmetricomin valmistamaa SA.45s-sirua. Sirun sisällä on kapseli, jossa on cesium-133. Kellon suunnittelussa on myös valokennot ja pienitehoinen laser. Jälkimmäinen lämmittää kaasumaista cesiumia, minkä seurauksena sen atomit alkavat siirtyä energiatasolta toiselle. Ajan mittaus tehdään vain kiinnittämällä tällainen siirtymä. Uuden laitteen hinta on noin 12 tuhatta dollaria.

Suuntaukset kohti miniatyrisointia, autonomiaa ja tarkkuutta johtavat siihen, että lähitulevaisuudessa tulee uusia atomikelloa käyttäviä laitteita kaikilla ihmiselämän osa-alueilla, aina kiertävien satelliittien ja asemien avaruustutkimuksesta kotitaloussovelluksiin sisä- ja rannejärjestelmissä.

Usein kuulemme lauseen, että atomikellot näyttävät aina tarkan ajan. Mutta heidän nimensä perusteella on vaikea ymmärtää, miksi atomikellot ovat tarkimpia tai kuinka ne toimivat.

Se, että nimessä on sana "atomi", ei tarkoita ollenkaan, että kello olisi hengenvaarallinen, vaikka heti tulisi mieleen ajatuksia atomipommista tai ydinvoimalasta. Tässä tapauksessa puhumme vain kellon periaatteesta. Jos tavallisissa mekaanisissa kelloissa hammaspyörät tekevät värähtelyliikkeitä ja niiden liikkeet lasketaan, niin atomikelloissa lasketaan elektronien värähtelyt atomien sisällä. Ymmärtääksemme paremmin toimintaperiaatetta, muistetaan alkuainehiukkasten fysiikka.

Kaikki aineet maailmassamme koostuvat atomeista. Atomit koostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Protonit ja neutronit yhdistyvät toisiinsa muodostaen ytimen, jota kutsutaan myös nukleoniksi. Elektronit liikkuvat ytimen ympärillä, joka voi olla eri energiatasoilla. Mielenkiintoisinta on, että absorboiessaan tai luovuttaessaan energiaa elektroni voi siirtyä energiatasostaan ​​korkeammalle tai alemmalle tasolle. Elektroni voi vastaanottaa energiaa sähkömagneettisesta säteilystä absorboimalla tai emittoimalla tietyntaajuista sähkömagneettista säteilyä jokaisessa siirtymässä.

Useimmiten on kelloja, joissa elementin Cesium -133 atomeja käytetään muuttumaan. Jos 1 sekunnissa heiluri perinteiset kellot tekee 1 värähtelevän liikkeen, sitten elektronit atomikelloissa Cesium-133:een perustuen, siirtyessään energiatasolta toiselle ne lähettävät sähkömagneettista säteilyä taajuudella 9192631770 Hz. Osoittautuu, että yksi sekunti jaetaan täsmälleen tähän määrään intervalleja, jos se lasketaan atomikelloissa. Kansainvälinen yhteisö hyväksyi tämän arvon virallisesti vuonna 1967. Kuvittele valtava kellotaulu, jossa ei ole 60, vaan 9192631770 jakoa, jotka ovat vain 1 sekunti. Ei ole yllättävää, että atomikellot ovat niin tarkkoja ja niillä on useita etuja: atomit eivät vanhene, eivät kulu ja värähtelytaajuus on aina sama yhdelle kemialliselle alkuaineelle, mikä mahdollistaa samanaikaisen vertailun, esim. Esimerkiksi atomikellojen lukemat kaukana avaruudessa ja maan päällä, ei pelkää virheitä.

Atomikellojen ansiosta ihmiskunta pystyi käytännössä testaamaan suhteellisuusteorian oikeellisuutta ja varmistamaan sen, kuin maan päällä. Atomikellot on asennettu moniin satelliitteihin ja avaruusaluksiin, niitä käytetään tietoliikennetarpeisiin, matkaviestintään, ne vertaavat tarkkaa aikaa koko planeetalla. Ilman liioittelua, juuri atomikellon keksimisen ansiosta ihmiskunta pääsi korkean teknologian aikakauteen.

Kuinka atomikellot toimivat?

Cesium-133 kuumennetaan haihduttamalla cesiumatomeja, jotka johdetaan magneettikentän läpi, josta valitaan atomit, joilla on haluttu energiatila.

Sitten valitut atomit kulkevat magneettikentän läpi, jonka taajuus on lähellä 9192631770 Hz, mikä luo kvartsioskillaattorin. Kentän vaikutuksesta cesiumatomit muuttavat taas energiatilojaan ja putoavat ilmaisimen päälle, joka kiinnittää milloin suurimmalla määrällä saapuvia atomeja on "oikea" energiatila. Atomien enimmäismäärä muuttuneella energiatilalla osoittaa, että mikroaaltokentän taajuus on valittu oikein, ja sitten sen arvo syötetään elektroniseen laitteeseen - taajuudenjakajaan, joka pienentäen taajuutta kokonaislukumäärän kertoja saa numero 1, joka on viite toinen.

Siten cesiumatomeja käytetään tarkistamaan kideoskillaattorin tuottaman magneettikentän oikea taajuus, mikä auttaa pitämään sen vakiona.

Se on kiinnostavaa: vaikka nykyiset atomikellot ovatkin ennennäkemättömän tarkkoja ja voivat toimia ilman virheitä miljoonia vuosia, fyysikot eivät aio lopettaa tähän. Käyttämällä eri kemiallisten alkuaineiden atomeja he työskentelevät jatkuvasti parantaakseen atomikellojen tarkkuutta. Uusimmista keksinnöistä - atomikellot päällä strontium, jotka ovat kolme kertaa tarkempia kuin niiden cesiumvastineet. Heiltä menisi 15 miljardia vuotta ollakseen vain sekunnin jäljessä – aikaa pidempi kuin maailmankaikkeutemme ikä...

Jos löydät virheen, korosta tekstinpätkä ja napsauta Ctrl+Enter.

Atomikello 27.1.2016

Sveitsi tai edes Japani ei tule olemaan maailman ensimmäisen taskukellon, jossa on sisäänrakennettu atomiaikastandardi, syntypaikka. Idea niiden luomisesta sai alkunsa Ison-Britannian sydämestä Lontoossa toimivalta Hoptroff-brändiltä

Atomi, tai kuten niitä kutsutaan myös "kvanttikelloiksi", on laite, joka mittaa aikaa käyttämällä luonnollisia värähtelyjä, jotka liittyvät atomien tai molekyylien tasolla tapahtuviin prosesseihin. Richard Hoptroff päätti, että korkean teknologian laitteista kiinnostuneiden nykyaikaisten herrasmiesten on aika vaihtaa mekaaniset taskukellonsa johonkin ylellisempään ja erikoisempaan sekä nykyajan kaupunkitrendejä vastaavaan.

Joten yleisölle esitettiin tyylikäs taskuatomikello Hoptroff No. 10, joka voi yllättää nykyaikaisen sukupolven, jota houkuttelee vempaimien runsaus, paitsi retrotyylillään ja fantastisella tarkkuudellaan myös käyttöiällä. Kehittäjien mukaan, kun sinulla on tämä kello mukanasi, pystyt pysymään täsmällisimpana henkilönä vähintään 5 miljardia vuotta.

Mitä muuta voit tietää niistä mielenkiintoista...

Kuva 2.

Kaikille niille, jotka eivät ole koskaan olleet kiinnostuneita tällaisista kelloista, kannattaa lyhyesti kuvailla niiden toimintaperiaatetta. "Atomilaitteen" sisällä ei ole mitään, mikä muistuttaisi klassista mekaanista kelloa. Hoptroffissa nro. 10 ei sisällä mekaanisia osia sellaisenaan. Sen sijaan atomiset taskukellot on varustettu suljetulla kammiolla, joka on täytetty radioaktiivisella kaasumaisella aineella, jonka lämpötilaa valvotaan erityisellä uunilla. Tarkka ajoitus on seuraava: laserit virittävät kemiallisen alkuaineen atomit, joka on eräänlainen kellon "täyte", ja resonaattori vangitsee ja mittaa jokaisen atomin siirtymän. Nykyään tällaisten laitteiden peruselementti on cesium. Jos muistamme SI-yksikköjärjestelmän, niin siinä sekunnin arvo liittyy sähkömagneettisen säteilyn jaksojen lukumäärään cesium-133-atomien siirtymisen aikana energiatasolta toiselle.

Kuva 3.

Jos älypuhelimissa prosessorisirua pidetään laitteen sydämenä, niin Hoptroffissa No. 10 tämän roolin ottaa viiteajan moduuligeneraattori. Sen toimittaa Symmetricom, ja itse siru oli alun perin keskittynyt käytettäväksi sotateollisuudessa - miehittämättömissä ilma-aluksissa.

CSAC-atomikello on varustettu lämpötilasäädetyllä termostaatilla, joka sisältää cesiumhöyrykammion. Laserin vaikutuksesta cesium-133-atomeihin alkaa niiden siirtyminen energiatilasta toiseen, jonka mittaamiseen käytetään mikroaaltoresonaattoria. Vuodesta 1967 lähtien kansainvälinen yksikköjärjestelmä (SI) on määritellyt yhden sekunnin 9 192 631 770 sähkömagneettisen säteilyn jaksoksi, jotka johtuvat cesium-133-atomin perustilan kahden hyperhienon tason siirtymisestä. Tämän perusteella on vaikea kuvitella teknisesti tarkempaa cesiumiin perustuvaa kelloa. Ajan mittaan ajanmittauksen viimeaikaisen edistyksen myötä uudet optiset kellot, jotka perustuvat ultraviolettitaajuudella (100 000 kertaa cesiumkellojen mikroaaltotaajuudet) pulssivaan alumiini-ioniin, ovat satoja kertoja tarkempia kuin atomikellot. Yksinkertaisesti sanottuna Hoptroffin uuden No.10 taskukellon tarkkuus on 0,0015 sekuntia vuodessa, 2,4 miljoonaa kertaa parempi kuin COSC-standardit.

Kuva 4.

Myös laitteen toiminnallinen puoli on fantasian partaalla. Sen avulla saat selville: kellonajan, päivämäärän, viikonpäivän, vuoden, leveys- ja pituusasteet eri arvoissa, paineen, kosteuden, sidereaalisen tunnit ja minuutit, vuorovesiennusteen ja monia muita indikaattoreita. Kello on kullanvärinen, ja sen jalometallikuoren luomisessa on tarkoitus käyttää 3D-tulostusta.

Richard Hoptrof uskoo vilpittömästi, että juuri tämä tuotantovaihtoehto hänen jälkeläisilleen on edullisin. Suunnittelun suunnittelukomponentin hieman muuttamiseksi ei tarvitse rakentaa tuotantolinjaa ollenkaan uudelleen, vaan käyttää tähän 3D-tulostuslaitteen toiminnallista joustavuutta. Totta, on syytä huomata, että esitetty prototyyppikello tehtiin klassisella tavalla.

Kuva 5.

Aika on erittäin arvokasta nykyään, ja taskukello Hoptroff No. 10 on suora vahvistus tälle. Ennakkotietojen mukaan ensimmäinen erä ydinlaitteita tulee olemaan 12 yksikköä, ja kustannusten osalta yhden kopion hinta on 78 000 dollaria.

Kuva 6.

Brändin toimitusjohtajan Richard Hoptroffin mukaan Hoptroffin Lontoon asunto oli keskeisessä roolissa ideassa. – Käytämme kvartsiliikkeissämme erittäin tarkkaa värähtelyjärjestelmää, jossa on GPS-signaali. Mutta Lontoon keskustassa tätä signaalia ei ole niin helppo saada kiinni. Kerran Greenwichin observatoriolla ollessani näin siellä Hewlett Packardin atomikellon ja päätin ostaa jotain vastaavaa itselleni Internetin kautta. Ja en voinut. Sen sijaan törmäsin tietoon Symmetricon-sirusta, ja kolmen päivän pohdinnan jälkeen tajusin, että se sopisi täydellisesti taskukelloksi.

Kyseinen siru on SA.45s cesium atomic clock (CSAC), ensimmäisen sukupolven pienoiskoossa olevat atomikellot GPS-vastaanottimille, reppuradioille ja droneille. Vaatimattomista mitoistaan ​​(40 mm x 34,75 mm) huolimatta se ei todennäköisesti sovi rannekelloon. Siksi Hoptroff päätti varustaa niillä melko vankan taskumallin (halkaisija 82 mm).

Sen lisäksi, että Hoptroff No 10 (brändin kymmenes osa) on maailman tarkin kello, se väittää olevansa ensimmäinen kultakotelo, joka on valmistettu 3D-tulostustekniikalla. Hoptroff ei ole vielä varma, kuinka paljon kultaa tarvitaan kotelon tekemiseen (ensimmäisen prototyypin työ saatiin päätökseen, kun numero ilmestyi), mutta ehdottaa, että sen hinta on "vähintään useita tuhansia puntaa". Ja kun otetaan huomioon kaikki tuotteen kehittämiseen tarvittava T&K (ajattele vuorovesitoimintoa harmonisten vakioiden 3 000 eri portille), voit odottaa lopullisen vähittäishinnan olevan noin 50 000 puntaa.

Kultainen kotelo mallia nro 10 3D-tulostimen ulostulossa ja valmiissa muodossa

Ostajista tulee automaattisesti eksklusiivisen klubin jäseniä, ja heidän tulee allekirjoittaa kirjallinen sitoumus olla käyttämättä atomikelloa aseena. "Tämä on yksi sopimusehdoista toimittajan kanssa", selittää Hoptroff, "koska atomisirua käytettiin alun perin ohjusten ohjausjärjestelmissä." Ei paljon siitä, että pystyin hankkimaan kellon moitteettomasti.

Hoptroff No.10:n onnellisilla omistajilla on käytössään paljon muutakin kuin vain tarkka kello. Malli toimii myös taskunavigointilaitteena, mikä mahdollistaa pituusasteen määrittämisen yhden merimailin tarkkuudella, jopa useiden merellä viettämien vuosien jälkeen, käyttämällä yksinkertaista sekstanttia. Malli saa kaksi kellotaulua, mutta niistä yhden suunnittelu on edelleen salassa. Toinen on laskurien pyörte, joka näyttää jopa 28 komplikaatiota: kaikista mahdollisista kronometrisista toiminnoista ja kalenterin osoittimista kompassiin, lämpömittariin, kosteusmittariin (kosteustason mittauslaite), barometriin, leveys- ja pituusastelaskuriin sekä nousuveden ja laskuveden mittariin. indikaattori. Ja tässä puhumattakaan atomitermostaatin tilan tärkeistä indikaattoreista.

Hoptroff aikoo tuoda markkinoille useita uusia tuotteita, mukaan lukien sähköisen version George Danielsin legendaarisesta monimutkaisesta Space Traveler -kellosta. Niitä kehitetään parhaillaan Bluetooth-tekniikan integroimiseksi kelloon käyttäjän henkilökohtaisten tietojen tallentamiseksi ja komplikaatioiden, kuten kuun vaiheen näytön, automaattisen säätämisen mahdollistamiseksi.

No.10:n ensimmäiset kappaleet ilmestyvät ensi vuonna, mutta toistaiseksi yritys etsii sopivia yhteistyökumppaneita jälleenmyyjien keskuudesta. ”Voimme varmasti yrittää myydä sitä verkossa, mutta tämä on premium-malli, joten sinun on silti pidettävä sitä käsissäsi arvostaaksesi sitä. Tämä tarkoittaa, että joudumme edelleen käyttämään jälleenmyyjien palveluita ja olemme valmiit aloittamaan neuvottelut”, Hoptroff päättää.

Ja jopa Alkuperäinen artikkeli on verkkosivustolla InfoGlaz.rf Linkki artikkeliin, josta tämä kopio on tehty -