Isidore Rabi, seorang profesor fisika di Universitas Columbia, mengusulkan proyek yang belum pernah dilihat sebelumnya: sebuah jam yang bekerja berdasarkan prinsip berkas atom resonansi magnetik. Ini terjadi pada tahun 1945, dan pada tahun 1949 Biro Standar Nasional merilis prototipe kerja pertama. Itu membaca getaran molekul amonia. Cesium memasuki bisnis jauh kemudian: model NBS-1 hanya muncul pada tahun 1952.

Laboratorium Fisika Nasional di Inggris menciptakan jam sinar cesium pertama pada tahun 1955. Lebih dari sepuluh tahun kemudian, selama Konferensi Umum tentang Berat dan Ukuran, jam yang lebih maju dipresentasikan, juga berdasarkan getaran di atom cesium. Model NBS-4 digunakan sampai tahun 1990.

Jenis jam tangan

Saat ini, ada tiga jenis jam atom yang beroperasi dengan prinsip yang hampir sama. Jam cesium, yang paling akurat, memisahkan atom cesium dengan medan magnet. Jam atom paling sederhana, jam rubidium, menggunakan gas rubidium yang tertutup bola kaca. Dan, akhirnya, jam atom hidrogen mengambil atom hidrogen yang tertutup dalam cangkang bahan khusus sebagai titik referensi - itu tidak memungkinkan atom kehilangan energi dengan cepat.

Pukul berapa sekarang

Pada tahun 1999, Institut Standar dan Teknologi Nasional AS (NIST) mengusulkan versi yang lebih maju dari jam atom. Model NIST-F1 memiliki kesalahan hanya satu detik dalam dua puluh juta tahun.

Paling Akurat

Tetapi fisikawan NIST tidak berhenti di situ. Para ilmuwan memutuskan untuk mengembangkan kronometer baru, kali ini berdasarkan atom strontium. Jam tangan baru berjalan pada 60% dari model sebelumnya, yang berarti bahwa ia kehilangan satu detik bukan dalam dua puluh juta tahun, tetapi sebanyak lima miliar.

Pengukuran waktu

Sebuah kesepakatan internasional telah menentukan satu-satunya frekuensi yang tepat untuk resonansi partikel cesium. Ini adalah 9.192.631.770 hertz - membagi sinyal keluaran dengan angka ini memberikan tepat satu siklus per detik.

Pernahkah Anda memperhatikan bahwa jam di rumah Anda menunjukkan waktu yang berbeda? Dan bagaimana memahami mana dari semua opsi yang benar? Kita akan mempelajari jawaban atas semua pertanyaan ini dengan mempelajari secara menyeluruh prinsip pengoperasian jam atom.

Jam atom: deskripsi dan prinsip operasi

Mari kita pahami dulu apa mekanisme jam atom itu. Jam atom adalah perangkat yang mengukur waktu, tetapi menggunakan getarannya sendiri sebagai periodisitas proses, dan semuanya terjadi pada tingkat atom dan molekul. Oleh karena itu akurasi.

Aman untuk mengatakan bahwa jam atom adalah yang paling akurat! Berkat merekalah Internet dan navigasi GPS berfungsi di dunia, kita tahu lokasi pasti planet-planet di tata surya. Kesalahan perangkat ini sangat minim sehingga kami dapat dengan yakin mengatakan bahwa mereka adalah kelas dunia! Berkat jam atom, sinkronisasi seluruh dunia terjadi, diketahui di mana perubahan tertentu berada.

Siapa yang menemukan, siapa yang menciptakan, dan juga siapa yang menciptakan jam tangan ajaib ini?

Kembali pada awal empat puluhan abad kedua puluh, diketahui tentang sinar atom resonansi magnetik. Pada awalnya, penerapannya tidak menyangkut jam tangan dengan cara apa pun - itu hanya teori. Tetapi sudah pada tahun 1945, Isidor Rabi mengusulkan untuk membuat perangkat, konsepnya adalah bahwa mereka bekerja berdasarkan teknik di atas. Tapi mereka diatur sedemikian rupa sehingga mereka menunjukkan hasil yang tidak akurat. Dan sudah pada tahun 1949, Biro Standar Nasional memberi tahu seluruh dunia tentang pembuatan jam atom pertama, yang didasarkan pada senyawa molekul amonia, dan sudah pada tahun 1952, teknologi dikuasai untuk membuat prototipe berdasarkan atom cesium.

Mendengar tentang atom amonia dan cesium, muncul pertanyaan, tetapi apakah jam yang indah ini radioaktif? Jawabannya tegas - tidak! Mereka tidak memiliki peluruhan atom.

Saat ini, ada banyak bahan dari mana jam atom dibuat. Misalnya, silikon, kuarsa, aluminium, dan bahkan perak.

Bagaimana cara kerja perangkat?

Mari kita lihat bagaimana jam bertenaga nuklir terlihat dan bekerja. Untuk melakukan ini, kami menawarkan deskripsi pekerjaan mereka:

Untuk berfungsinya jam khusus ini dengan benar, tidak diperlukan pendulum, atau osilator kuarsa. Mereka menggunakan sinyal yang muncul karena transisi kuantum satu elektron antara dua tingkat energi atom. Akibatnya, kita dapat mengamati gelombang elektromagnetik. Dengan kata lain, kami sering mengalami fluktuasi dan tingkat stabilitas sistem yang sangat tinggi. Setiap tahun, karena penemuan baru, proses dimodernisasi. Belum lama ini, spesialis Institut Nasional fStandardsand Technology (NIST) menjadi juara, memecahkan rekor dunia mutlak. Mereka mampu membawa akurasi jam atom (berdasarkan strontium) ke penyimpangan yang paling minimum, yaitu: selama 15 miliar tahun, satu detik berjalan. Ya, ya, bagi Anda tampaknya tidak bahwa ini adalah usia yang sekarang ditetapkan untuk Alam Semesta kita. Ini adalah penemuan besar! Bagaimanapun, strontium-lah yang memainkan peran paling penting dalam rekaman ini. Atom-atom strontium yang bergerak dalam kisi spasialnya, yang dibuat oleh para ilmuwan menggunakan laser, bertindak sebagai analog dari "berdetak". Seperti biasa dalam sains, secara teori segala sesuatu tampak mempesona dan sudah membaik, tetapi ketidakstabilan sistem seperti itu mungkin menjadi kurang menyenangkan dalam praktiknya. Karena ketidakstabilannya, perangkat berbasis cesium mendapatkan popularitas di seluruh dunia.

Sekarang pertimbangkan apa yang terdiri dari perangkat semacam itu. Detail utama di sini adalah:

• pembeda kuantum;
• generator kuarsa;
• elektronik.

Osilator kuarsa adalah sejenis osilator sendiri, tetapi untuk menghasilkan elemen resonansi, ia menggunakan mode piezoelektrik dari kristal kuarsa.

Memiliki diskriminator kuantum dan osilator kuarsa, di bawah pengaruh frekuensi mereka, mereka dibandingkan, dan ketika perbedaan terdeteksi, rangkaian umpan balik membutuhkan osilator kristal untuk menyesuaikan dengan nilai yang diperlukan dan meningkatkan stabilitas dan akurasi. Akibatnya, pada output kita melihat nilai yang tepat pada dial, yang berarti waktu yang tepat.

Model awal cukup besar, tetapi pada Oktober 2013, BathysHawaii membuat percikan dengan merilis jam tangan atom mini. Awalnya, semua orang menganggap pernyataan ini sebagai lelucon, tetapi segera ternyata itu benar, dan mereka berfungsi pada dasar sumber atom Cesium 133 Keamanan perangkat dipastikan oleh fakta bahwa unsur radioaktif terkandung dalam bentuk gas dalam kapsul khusus. Foto perangkat ini telah tersebar di seluruh dunia.

Banyak orang dalam topik jam atom tertarik pada masalah sumber daya. Baterainya adalah baterai lithium-ion. Namun sayang, belum diketahui berapa lama baterai tersebut akan bertahan.

Jam tangan BathysHawaii benar-benar merupakan jam tangan atom pertama. Sebelumnya, kasus pelepasan perangkat yang relatif portabel sudah diketahui, tetapi, sayangnya, itu tidak memiliki sumber daya atom, tetapi hanya disinkronkan dengan jam keseluruhan nyata melalui radio nirkabel. Perlu juga disebutkan biaya gadget semacam itu. Kenikmatan itu diperkirakan mencapai 12 ribu dolar AS. Jelas bahwa dengan harga seperti itu, jam tangan tidak akan mendapatkan popularitas yang luas, tetapi perusahaan tidak berusaha untuk ini, karena mereka merilisnya dalam jumlah yang sangat terbatas.

Kita tahu beberapa jenis jam atom. Tidak ada perbedaan yang signifikan dalam desain dan prinsip mereka, tetapi masih ada beberapa perbedaan. Jadi, yang utama adalah cara menemukan perubahan dan elemen-elemennya. Jenis jam tangan berikut dapat dibedakan:

1. Hidrogen. Esensi mereka terletak pada kenyataan bahwa atom hidrogen didukung pada tingkat energi yang tepat, tetapi dindingnya terbuat dari bahan khusus. Berdasarkan ini, kami menyimpulkan bahwa atom hidrogen yang sangat cepat kehilangan tingkat energinya.
2. sesium. Dasarnya adalah balok cesium. Perlu dicatat bahwa jam tangan ini adalah yang paling akurat.
3. rubidium. Mereka adalah yang paling sederhana dan sangat kompak.

Seperti disebutkan sebelumnya, jam atom adalah gadget yang sangat mahal. Dengan demikian, jam saku Hoptroff No. 10 adalah perwakilan yang cemerlang dari mainan generasi baru. Harga aksesori yang bergaya dan sangat akurat adalah 78 ribu dolar. Hanya 12 eksemplar yang dirilis. Mekanisme perangkat ini menggunakan sistem osilasi frekuensi tinggi, yang juga dilengkapi dengan sinyal GPS.

Perusahaan tidak berhenti di situ dan dalam versi kesepuluh jam tangan itu ingin menerapkan metode penempatan mesin jam dalam kotak emas, yang akan dicetak pada printer 3D yang populer. Belum dihitung secara pasti berapa banyak emas yang akan digunakan untuk versi kasing seperti itu, tetapi perkiraan harga eceran mahakarya ini sudah diketahui - jumlahnya sekitar 50 ribu pound sterling. Dan ini bukan harga akhir, meskipun memperhitungkan semua volume penelitian, serta kebaruan dan keunikan gadget itu sendiri.

Fakta sejarah tentang penggunaan jam tangan

Bagaimana, ketika berbicara tentang jam atom, belum lagi fakta paling menarik yang terkait dengannya dan waktu secara umum:

1. Tahukah Anda bahwa jam matahari tertua ditemukan di Mesir kuno?
2. Kesalahan jam atom minimal - hanya 1 detik selama 6 juta tahun.
3. Semua orang tahu bahwa ada 60 detik dalam satu menit. Tetapi hanya sedikit orang yang menyelidiki berapa milidetik dalam satu detik? Dan mereka tidak banyak dan tidak sedikit - seribu!
4. Setiap wisatawan yang sempat berkunjung ke London pasti ingin melihat Big Ben dengan mata kepala sendiri. Namun sayangnya, tidak banyak orang yang mengetahui bahwa Big Ben bukanlah sebuah menara sama sekali, melainkan nama sebuah lonceng besar yang berbobot 13 ton dan berdering di dalam menara tersebut.
5. Pernahkah Anda bertanya-tanya mengapa jarum jam kita bergerak persis dari kiri ke kanan, atau bagaimana kita biasa mengatakan "searah jarum jam"? Fakta ini berhubungan langsung dengan bagaimana bayangan bergerak pada jam matahari.
6. Jam tangan pertama ditemukan pada tahun 1812. Mereka dibuat oleh pendiri Breguet untuk Ratu Napoli.
7. Sebelum Perang Dunia Pertama, jam tangan dianggap hanya sebagai aksesori wanita, tetapi segera, karena kenyamanannya, jam tangan itu juga dipilih oleh bagian populasi pria.

Arsip Artikel

Apa "pembuat jam" yang menemukan dan menyempurnakan gerakan yang sangat tepat ini? Apakah ada penggantinya? Mari kita coba mencari tahu.

Pada tahun 2012, ketepatan waktu atom akan merayakan hari jadinya yang ke-45. Pada tahun 1967, kategori waktu dalam Sistem Satuan Internasional mulai ditentukan bukan oleh skala astronomi, tetapi oleh standar frekuensi cesium. Pada umumnya orang menyebutnya sebagai jam atom.

Apa prinsip operasi osilator atom? Sebagai sumber frekuensi resonansi, "perangkat" ini menggunakan tingkat energi kuantum atom atau molekul. Mekanika kuantum menghubungkan beberapa tingkat energi diskrit dengan sistem "inti atom - elektron". Medan elektromagnetik dengan frekuensi tertentu dapat memicu transisi sistem ini dari tingkat rendah ke tingkat yang lebih tinggi. Fenomena sebaliknya juga mungkin terjadi: sebuah atom dapat berpindah dari tingkat energi tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah dengan emisi energi. Kedua fenomena tersebut dapat dikontrol dan lompatan antar tingkat energi ini dapat diperbaiki, sehingga menciptakan kemiripan sirkuit osilasi. Frekuensi resonansi dari rangkaian ini akan sama dengan perbedaan energi antara dua tingkat transisi, dibagi dengan konstanta Planck.

Osilator atom yang dihasilkan memiliki keunggulan yang tidak dapat disangkal dibandingkan pendahulunya secara astronomis dan mekanis. Frekuensi resonansi semua atom zat yang dipilih untuk osilator akan sama, tidak seperti bandul dan piezokristal. Selain itu, atom tidak aus dan tidak mengubah sifat mereka dari waktu ke waktu. Pilihan ideal untuk kronometer yang hampir abadi dan sangat akurat.

Untuk pertama kalinya, kemungkinan menggunakan transisi energi antartingkat dalam atom sebagai standar frekuensi dipertimbangkan kembali pada tahun 1879 oleh fisikawan Inggris William Thomson, lebih dikenal sebagai Lord Kelvin. Dia mengusulkan menggunakan hidrogen sebagai sumber atom resonator. Namun, penelitiannya lebih bersifat teoritis. Ilmu pengetahuan saat itu belum siap untuk mengembangkan kronometer atom.

Butuh waktu hampir seratus tahun bagi ide Lord Kelvin untuk menjadi kenyataan. Itu waktu yang lama, tetapi tugasnya juga tidak mudah. Mengubah atom menjadi pendulum ideal terbukti lebih sulit dalam praktik daripada teori. Kesulitannya adalah dalam pertempuran dengan apa yang disebut lebar resonansi - fluktuasi kecil dalam frekuensi penyerapan dan emisi energi ketika atom bergerak dari satu tingkat ke tingkat lainnya. Rasio frekuensi resonansi dengan lebar resonansi menentukan kualitas osilator atom. Jelas, semakin besar nilai lebar resonansi, semakin rendah kualitas pendulum atom. Sayangnya, tidak mungkin untuk meningkatkan frekuensi resonansi untuk meningkatkan kualitas. Ini adalah konstan untuk atom dari setiap zat tertentu. Tetapi lebar resonansi dapat dikurangi dengan menambah waktu pengamatan atom.

Secara teknis, ini dapat dicapai sebagai berikut: biarkan eksternal, misalnya, kuarsa, osilator secara berkala menghasilkan radiasi elektromagnetik, memaksa atom-atom zat donor untuk melompati tingkat energi. Dalam hal ini, tugas penyetel kronograf atom adalah perkiraan maksimum frekuensi osilator kuarsa ini dengan frekuensi resonansi transisi antar tingkat atom. Ini menjadi mungkin dalam kasus periode pengamatan yang cukup lama dari osilasi atom dan penciptaan umpan balik yang mengatur frekuensi kuarsa.

Benar, selain masalah pengurangan lebar resonansi dalam kronograf atom, ada banyak masalah lain. Ini adalah efek Doppler - pergeseran frekuensi resonansi karena pergerakan atom, dan tabrakan timbal balik atom, menyebabkan transisi energi yang tidak direncanakan, dan bahkan pengaruh energi materi gelap yang melingkupi segalanya.

Untuk pertama kalinya, upaya implementasi praktis jam atom dilakukan pada tiga puluhan abad terakhir oleh para ilmuwan di Universitas Columbia di bawah bimbingan pemenang Nobel masa depan Dr. Isidore Rabi. Rabi mengusulkan untuk menggunakan isotop cesium 133 Cs sebagai sumber atom pendulum. Sayangnya, pekerjaan Rabi, yang sangat diminati NBS, terganggu oleh Perang Dunia II.

Setelah selesai, kejuaraan dalam penerapan kronograf atom diserahkan kepada karyawan NBS Harold Lyons. Osilator atomnya bekerja pada amonia dan memberikan kesalahan yang sepadan dengan contoh terbaik resonator kuarsa. Pada tahun 1949, jam atom amonia didemonstrasikan kepada masyarakat umum. Meskipun akurasinya agak biasa-biasa saja, mereka menerapkan prinsip-prinsip dasar kronograf atom generasi mendatang.

Prototipe jam atom cesium yang diperoleh Louis Essen memberikan akurasi 1 * 10 -9, sementara memiliki lebar resonansi hanya 340 Hertz.

Beberapa saat kemudian, profesor Universitas Harvard Norman Ramsey menyempurnakan gagasan Isidore Rabi, mengurangi dampak pada keakuratan pengukuran efek Doppler. Dia mengusulkan alih-alih satu pulsa frekuensi tinggi panjang yang menarik atom, untuk menggunakan dua pulsa pendek yang dikirim ke lengan pemandu gelombang pada jarak tertentu satu sama lain. Hal ini memungkinkan untuk secara drastis mengurangi lebar resonansi dan benar-benar memungkinkan untuk membuat osilator atom yang urutan besarnya lebih baik daripada nenek moyang kuarsa mereka dalam akurasi.

Pada lima puluhan abad terakhir, berdasarkan skema yang diusulkan oleh Norman Ramsey, di Laboratorium Fisika Nasional (Inggris Raya), karyawannya Louis Essen mengerjakan osilator atom berdasarkan isotop cesium 133 Cs yang diusulkan sebelumnya oleh Rabi. Cesium tidak dipilih secara kebetulan.

Skema tingkat transisi hiperhalus atom dari isotop cesium-133

Termasuk dalam kelompok logam alkali, atom cesium sangat mudah tereksitasi untuk melompat antar tingkat energi. Jadi, misalnya, seberkas cahaya dengan mudah mampu merobohkan aliran elektron dari struktur atom cesium. Karena sifat inilah cesium banyak digunakan dalam fotodetektor.

Perangkat osilator cesium klasik berdasarkan pandu gelombang Ramsey

Standar frekuensi cesium resmi pertama NBS-1

Keturunan NBS-1 - osilator NIST-7 menggunakan pemompaan laser dari seberkas atom cesium

Butuh lebih dari empat tahun untuk prototipe Essen menjadi standar nyata. Lagi pula, penyetelan halus jam atom hanya mungkin dilakukan jika dibandingkan dengan satuan waktu ephemeris yang ada. Selama empat tahun, osilator atom dikalibrasi dengan mengamati rotasi Bulan mengelilingi Bumi menggunakan kamera bulan paling akurat yang ditemukan oleh William Markowitz dari US Naval Observatory.

"Penyesuaian" jam atom ke ephemeris bulan dilakukan dari tahun 1955 hingga 1958, setelah itu perangkat secara resmi diakui oleh NBS sebagai standar frekuensi. Selain itu, akurasi jam atom cesium yang belum pernah terjadi sebelumnya mendorong NBS untuk mengubah satuan waktu dalam standar SI. Sejak tahun 1958, "durasi 9.192.631.770 periode radiasi yang sesuai dengan transisi antara dua tingkat hiperhalus dari keadaan standar atom isotop cesium-133" telah secara resmi diadopsi sebagai detik.

Perangkat Louis Essen diberi nama NBS-1 dan dianggap sebagai standar frekuensi sesium pertama.

Selama tiga puluh tahun ke depan, enam modifikasi NBS-1 dikembangkan, yang terbaru, NIST-7, dibuat pada tahun 1993 dengan mengganti magnet dengan perangkap laser, memberikan akurasi 5 * 10 -15 dengan lebar resonansi hanya enam puluh dua Hertz.

Tabel perbandingan karakteristik standar frekuensi sesium yang digunakan oleh NBS

Standar frekuensi sesium	Waktu operasi	Waktu pengoperasian sebagai standar NPFS resmi	Lebar Resonansi	Panjang panduan microwave	Nilai kesalahan
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300Hz	55 cm	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110Hz	164 cm	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48Hz	366 cm	5*10 -13
NBS-4	1965-1990-an	Tidak	130Hz	52,4 cm	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45Hz	374 cm	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26Hz	374 cm	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62Hz	155 cm	5*10 -15

Perangkat NBS adalah bangku tes stasioner, yang memungkinkan untuk mengklasifikasikannya lebih sebagai standar daripada sebagai osilator yang digunakan secara praktis. Tetapi untuk tujuan praktis semata, Hewlett-Packard telah bekerja untuk kepentingan standar frekuensi sesium. Pada tahun 1964, raksasa komputer masa depan menciptakan versi ringkas standar frekuensi sesium - perangkat HP 5060A.

Dikalibrasi menggunakan standar NBS, standar frekuensi HP 5060 cocok dengan rak peralatan radio biasa dan sukses secara komersial. Berkat standar frekuensi sesium yang ditetapkan oleh Hewlett-Packard, akurasi jam atom yang belum pernah terjadi sebelumnya mencapai massa.

Hewlett-Packard 5060A.

Akibatnya, hal-hal seperti televisi satelit dan komunikasi, sistem navigasi global, dan layanan sinkronisasi waktu jaringan informasi menjadi mungkin. Ada banyak aplikasi teknologi kronograf atom yang dibawa ke desain industri. Pada saat yang sama, Hewlett-Packard tidak berhenti di situ dan terus meningkatkan kualitas standar cesium serta indikator berat dan ukurannya.

Keluarga jam atom Hewlett-Packard

Pada tahun 2005, divisi jam atom Hewlett-Packard dijual ke Simmetricom.

Seiring dengan cesium, yang cadangannya di alam sangat terbatas, dan permintaannya di berbagai bidang teknologi sangat tinggi, rubidium, yang sangat dekat dengan sifat cesium, digunakan sebagai zat donor.

Tampaknya skema jam atom yang ada telah disempurnakan. Sementara itu, ia memiliki kelemahan yang tidak menguntungkan, penghapusannya menjadi mungkin pada standar frekuensi cesium generasi kedua, yang disebut air mancur cesium.

Air mancur waktu dan tetes tebu optik

Meskipun akurasi tertinggi dari kronometer atom NIST-7, yang menggunakan deteksi laser dari keadaan atom cesium, skemanya pada dasarnya tidak berbeda dari skema standar frekuensi cesium versi pertama.

Dan kelemahan desain dari semua skema ini adalah bahwa pada dasarnya tidak mungkin untuk mengontrol kecepatan propagasi berkas atom cesium yang bergerak dalam pandu gelombang. Dan ini terlepas dari kenyataan bahwa kecepatan pergerakan atom cesium pada suhu kamar adalah seratus meter per detik. Cukup cepat.

Itulah sebabnya semua modifikasi standar cesium adalah pencarian keseimbangan antara ukuran pandu gelombang, yang memiliki waktu untuk bertindak pada atom cesium cepat di dua titik, dan akurasi pendeteksian hasil efek ini. Semakin kecil pandu gelombang, semakin sulit untuk membuat pulsa elektromagnetik berturut-turut mempengaruhi atom yang sama.

Tetapi bagaimana jika kita menemukan cara untuk mengurangi kecepatan pergerakan atom cesium? Pemikiran inilah yang diperhatikan oleh seorang mahasiswa di Institut Teknologi Massachusetts, Jerrold Zacharius, yang mempelajari pengaruh gravitasi pada perilaku atom pada akhir empat puluhan abad terakhir. Kemudian, terlibat dalam pengembangan varian standar frekuensi cesium Atomichron, Zacharius mengusulkan gagasan air mancur cesium - metode untuk mengurangi kecepatan atom cesium menjadi satu sentimeter per detik dan menyingkirkan pemandu gelombang dua lengan osilator atom tradisional.

Ide Zakharius sederhana. Bagaimana jika Anda menjalankan atom cesium di dalam osilator secara vertikal? Kemudian atom yang sama akan melewati detektor dua kali: pertama saat bergerak ke atas, dan yang kedua turun, di mana mereka akan bergegas di bawah pengaruh gravitasi. Pada saat yang sama, gerakan atom ke bawah akan jauh lebih lambat daripada lepas landasnya, karena selama perjalanan di air mancur mereka akan kehilangan energi. Sayangnya, pada tahun lima puluhan abad terakhir, Zakharius tidak dapat mewujudkan ide-idenya. Dalam pengaturan eksperimentalnya, atom yang bergerak ke atas berinteraksi dengan atom yang jatuh, yang mengurangi akurasi deteksi.

Gagasan Zakharius kembali hanya pada tahun delapan puluhan. Para ilmuwan di Universitas Stanford, yang dipimpin oleh Steven Chu, telah menemukan cara untuk menerapkan Air Mancur Zacharius menggunakan teknik yang mereka sebut "molase optik."

Di air mancur Chu cesium, awan atom cesium yang ditembakkan ke atas didinginkan terlebih dahulu oleh sistem tiga pasang laser dengan arah berlawanan yang memiliki frekuensi resonansi tepat di bawah resonansi optik atom cesium.

Diagram air mancur cesium dengan tetes tebu optik.

Didinginkan oleh laser, atom cesium mulai bergerak perlahan, seolah-olah melalui tetes tebu. Kecepatan mereka turun menjadi tiga meter per detik. Mengurangi kecepatan atom memberi peneliti kesempatan untuk mendeteksi keadaan secara lebih akurat (jauh lebih mudah untuk melihat jumlah mobil yang bergerak dengan kecepatan satu kilometer per jam daripada mobil yang bergerak dengan kecepatan seratus kilometer per jam).

Bola atom cesium yang didinginkan diluncurkan sekitar satu meter, melewati pemandu gelombang di sepanjang jalan, di mana medan elektromagnetik frekuensi resonansi bekerja pada atom. Dan detektor sistem menangkap perubahan keadaan atom untuk pertama kalinya. Setelah mencapai "langit-langit", atom yang didinginkan mulai jatuh karena gravitasi dan melewati pemandu gelombang untuk kedua kalinya. Dalam perjalanan kembali, detektor kembali menangkap keadaan mereka. Karena atom bergerak sangat lambat, penerbangan mereka dalam bentuk awan yang cukup padat mudah dikendalikan, yang berarti tidak akan ada atom yang terbang ke atas dan ke bawah pada saat yang sama di air mancur.

Pengaturan air mancur cesium Chu diadopsi oleh NBS sebagai standar frekuensi pada tahun 1998 dan diberi nama NIST-F1. Kesalahannya adalah 4 * 10 -16, yang berarti bahwa NIST-F1 lebih akurat daripada pendahulunya NIST-7.

Faktanya, NIST-F1 mencapai batas akurasi dalam mengukur keadaan atom cesium. Tetapi para ilmuwan tidak berhenti pada kemenangan ini. Mereka memutuskan untuk menghilangkan kesalahan yang dimasukkan ke dalam pekerjaan jam atom oleh radiasi benda yang benar-benar hitam - hasil interaksi atom cesium dengan radiasi termal badan instalasi tempat mereka bergerak. Dalam kronograf atom NIST-F2 yang baru, air mancur cesium ditempatkan di ruang kriogenik, mengurangi radiasi benda hitam hingga hampir nol. Margin kesalahan NIST-F2 adalah 3*10 -17 yang luar biasa.

Grafik pengurangan kesalahan varian standar frekuensi cesium

Saat ini, jam atom berdasarkan air mancur cesium memberi manusia standar waktu yang paling akurat, relatif terhadap denyut nadi peradaban teknogenik kita. Berkat trik rekayasa, maser hidrogen berdenyut yang mendinginkan atom cesium dalam versi stasioner NIST-F1 dan NIST-F2 telah diganti dengan sinar laser konvensional yang dipasangkan dengan sistem magneto-optik. Ini memungkinkan untuk membuat versi standar NIST-Fx yang ringkas dan sangat tahan, yang mampu bekerja di pesawat ruang angkasa. Dinamakan dengan tepat "Aerospace Cold Atom Clock", standar frekuensi ini ditetapkan dalam sistem navigasi satelit seperti GPS, yang menyediakan sinkronisasi luar biasa untuk memecahkan masalah penghitungan koordinat penerima GPS yang digunakan di gadget kami dengan sangat akurat.

Sebuah versi ringkas dari jam atom air mancur cesium yang disebut "Aerospace Cold Atom Clock" digunakan dalam satelit GPS.

Perhitungan waktu referensi dilakukan oleh "ensemble" dari sepuluh NIST-F2 yang berlokasi di berbagai pusat penelitian yang bekerja sama dengan NBS. Nilai pasti dari detik atom diperoleh secara kolektif, dan dengan demikian berbagai kesalahan dan pengaruh faktor manusia dihilangkan.

Namun, ada kemungkinan bahwa suatu hari standar frekuensi sesium akan dianggap oleh keturunan kita sebagai mekanisme yang sangat kasar untuk mengukur waktu, seperti halnya kita sekarang dengan merendahkan melihat gerakan pendulum pada jam kakek mekanis nenek moyang kita.

Jam atom adalah instrumen penunjuk waktu paling akurat yang ada saat ini dan menjadi semakin penting seiring kemajuan teknologi dan semakin canggih.

Prinsip operasi

Jam atom menjaga waktu yang akurat bukan karena peluruhan radioaktif, seperti yang terlihat dari namanya, tetapi menggunakan getaran inti dan elektron yang mengelilinginya. Frekuensi mereka ditentukan oleh massa inti, gravitasi dan "penyeimbang" elektrostatik antara inti bermuatan positif dan elektron. Itu tidak cukup cocok dengan jarum jam biasa. Jam atom adalah pencatat waktu yang lebih andal karena fluktuasinya tidak berubah dengan faktor lingkungan seperti kelembaban, suhu, atau tekanan.

Evolusi jam atom

Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah menyadari bahwa atom memiliki frekuensi resonansi yang terkait dengan kemampuan masing-masing untuk menyerap dan memancarkan radiasi elektromagnetik. Pada 1930-an dan 1940-an, komunikasi frekuensi tinggi dan peralatan radar dikembangkan yang dapat berinteraksi dengan frekuensi resonansi atom dan molekul. Ini berkontribusi pada gagasan arloji.

Salinan pertama dibuat pada tahun 1949 oleh Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST). Amonia digunakan sebagai sumber getaran. Namun, mereka tidak jauh lebih akurat daripada standar waktu yang ada, dan cesium digunakan pada generasi berikutnya.

standar baru

Perubahan akurasi waktu begitu besar sehingga pada tahun 1967 Konferensi Umum tentang Berat dan Ukuran mendefinisikan detik SI sebagai 9.192.631.770 getaran atom cesium pada frekuensi resonansinya. Ini berarti bahwa waktu tidak lagi terkait dengan pergerakan Bumi. Jam atom paling stabil di dunia dibuat pada tahun 1968 dan digunakan sebagai bagian dari sistem referensi waktu NIST hingga tahun 1990-an.

Mobil perbaikan

Salah satu kemajuan terbaru di bidang ini adalah pendinginan laser. Ini meningkatkan rasio signal-to-noise dan mengurangi ketidakpastian dalam sinyal clock. Sistem pendingin ini dan peralatan lain yang digunakan untuk meningkatkan jam cesium akan membutuhkan ruang seukuran gerbong untuk menampungnya, meskipun opsi komersial dapat ditampung dalam koper. Salah satu fasilitas laboratorium ini menyimpan waktu di Boulder, Colorado, dan merupakan jam paling akurat di Bumi. Mereka hanya salah dengan 2 nanodetik per hari, atau 1 detik dalam 1,4 juta tahun.

Teknologi canggih

Akurasi yang luar biasa ini adalah hasil dari proses manufaktur yang kompleks. Pertama-tama, cesium cair ditempatkan dalam tungku dan dipanaskan sampai berubah menjadi gas. Atom logam keluar dengan kecepatan tinggi melalui lubang kecil di tungku. Elektromagnet menyebabkan mereka terpisah menjadi sinar terpisah dengan energi yang berbeda. Sinar yang dibutuhkan melewati lubang berbentuk U, dan atom terkena energi gelombang mikro pada frekuensi 9.192.631.770 Hz. Karena ini, mereka bersemangat dan pindah ke keadaan energi yang berbeda. Medan magnet kemudian menyaring keadaan energi atom lainnya.

Detektor merespon cesium dan menunjukkan maksimum pada nilai frekuensi yang benar. Ini diperlukan untuk mengatur osilator kristal yang mengontrol mekanisme clocking. Membagi frekuensinya dengan 9.192.631.770 menghasilkan satu pulsa per detik.

Tidak hanya sesium

Meskipun jam atom yang paling umum menggunakan sifat cesium, ada jenis lain juga. Mereka berbeda dalam elemen yang diterapkan dan cara menentukan perubahan tingkat energi. Bahan lainnya adalah hidrogen dan rubidium. Jam atom hidrogen berfungsi seperti jam sesium, tetapi membutuhkan wadah dengan dinding yang terbuat dari bahan khusus yang mencegah atom kehilangan energi terlalu cepat. Jam tangan Rubidium adalah yang paling sederhana dan ringkas. Di dalamnya, sel kaca yang diisi dengan gas rubidium mengubah penyerapan cahaya saat terkena frekuensi gelombang mikro.

Siapa yang butuh waktu yang akurat?

Saat ini, waktu dapat dihitung dengan sangat presisi, tetapi mengapa ini penting? Ini diperlukan dalam sistem seperti telepon seluler, Internet, GPS, program penerbangan, dan televisi digital. Pada pandangan pertama, ini tidak jelas.

Contoh penggunaan waktu yang akurat adalah sinkronisasi paket. Ribuan panggilan telepon melalui jalur tengah. Ini hanya mungkin karena percakapan tidak ditransmisikan sepenuhnya. Perusahaan telekomunikasi membaginya menjadi paket-paket kecil dan bahkan melewatkan beberapa informasi. Kemudian mereka melewati garis bersama dengan paket percakapan lain dan dikembalikan di ujung yang lain tanpa bercampur. Sistem jam pertukaran telepon dapat menentukan paket mana yang termasuk dalam percakapan tertentu pada waktu yang tepat ketika informasi itu dikirim.

GPS

Implementasi lain dari ketepatan waktu adalah sistem penentuan posisi global. Ini terdiri dari 24 satelit yang mengirimkan koordinat dan waktu mereka. Setiap penerima GPS dapat terhubung ke mereka dan membandingkan waktu siaran. Perbedaannya memungkinkan pengguna untuk menentukan lokasi mereka. Jika jam ini tidak terlalu akurat, maka sistem GPS akan menjadi tidak praktis dan tidak dapat diandalkan.

Batas kesempurnaan

Dengan perkembangan teknologi dan jam atom, ketidakakuratan alam semesta menjadi nyata. Bumi bergerak tidak merata, yang menyebabkan fluktuasi acak dalam panjang tahun dan hari. Di masa lalu, perubahan ini tidak diperhatikan karena alat penunjuk waktu terlalu tidak akurat. Namun, banyak peneliti dan ilmuwan cemas, jam atom harus disesuaikan untuk mengimbangi anomali dunia nyata. Mereka adalah alat yang luar biasa untuk memajukan teknologi modern, tetapi kesempurnaan mereka dibatasi oleh batas-batas yang ditetapkan oleh alam itu sendiri.

Pada abad ke-21, navigasi satelit berkembang dengan pesat. Anda dapat menentukan posisi objek apa pun yang entah bagaimana terhubung dengan satelit, apakah itu ponsel, mobil, atau pesawat ruang angkasa. Tetapi semua ini tidak dapat dicapai tanpa jam atom.
Juga, jam tangan ini digunakan di berbagai telekomunikasi, misalnya, dalam komunikasi seluler. Ini adalah jam tangan paling akurat yang pernah, sedang, dan akan ada. Tanpa mereka, Internet tidak akan disinkronkan, kita tidak akan tahu jarak ke planet dan bintang lain, dll.
Dalam jam, 9.192.631.770 periode radiasi elektromagnetik diambil per detik, yang terjadi selama transisi antara dua tingkat energi atom cesium-133. Jam seperti itu disebut jam sesium. Tapi ini hanya satu dari tiga jenis jam atom. Ada juga jam hidrogen dan rubidium. Namun, jam cesium paling sering digunakan, jadi kami tidak akan membahas jenis lain.

Cara kerja jam atom cesium

Laser memanaskan atom isotop cesium dan pada saat ini, resonator bawaan mencatat semua transisi atom. Dan, seperti yang disebutkan sebelumnya, setelah mencapai 9.192.631.770 transisi, satu detik dihitung.

Laser yang terpasang di dalam kotak arloji memanaskan atom isotop cesium. Pada saat ini, resonator mencatat jumlah transisi atom ke tingkat energi baru. Ketika frekuensi tertentu tercapai, yaitu 9.192.631.770 transisi (Hz), maka satu detik dihitung berdasarkan sistem SI internasional.

Gunakan dalam navigasi satelit

Proses penentuan lokasi yang tepat dari suatu objek menggunakan satelit sangat sulit. Beberapa satelit terlibat dalam hal ini, yaitu lebih dari 4 per penerima (misalnya, navigator GPS di dalam mobil).

Setiap satelit memiliki jam atom presisi tinggi, pemancar radio satelit dan generator kode digital. Pemancar radio mengirimkan kode digital dan informasi tentang satelit ke Bumi, yaitu parameter orbit, model, dll.

Jam menentukan berapa lama waktu yang dibutuhkan kode ini untuk mencapai penerima. Dengan demikian, mengetahui kecepatan rambat gelombang radio, jarak ke penerima di Bumi dihitung. Tapi satu satelit tidak cukup untuk ini. Penerima GPS modern dapat menerima sinyal dari 12 satelit secara bersamaan, yang memungkinkan Anda menentukan lokasi objek dengan akurasi hingga 4 meter. Omong-omong, perlu dicatat bahwa navigator GPS tidak memerlukan biaya berlangganan.