Tahun lalu, 2012, empat puluh lima tahun sejak umat manusia memutuskan untuk menggunakan ketepatan waktu atom untuk mengukur waktu seakurat mungkin. Pada tahun 1967, kategori waktu Internasional tidak lagi ditentukan oleh skala astronomi - mereka digantikan oleh standar frekuensi cesium. Dialah yang menerima nama yang sekarang populer - jam atom. Waktu yang tepat yang memungkinkan Anda untuk menentukan memiliki kesalahan yang tidak signifikan satu detik dalam tiga juta tahun, yang memungkinkan mereka untuk digunakan sebagai standar waktu di setiap sudut dunia.

Sedikit sejarah

Gagasan menggunakan getaran atom untuk pengukuran waktu ultra-presisi pertama kali diungkapkan pada tahun 1879 oleh fisikawan Inggris William Thomson. Dalam peran sebagai emitor atom resonator, ilmuwan ini mengusulkan penggunaan hidrogen. Upaya pertama untuk menerapkan ide tersebut baru dilakukan pada tahun 1940-an. Abad ke dua puluh. Dan jam atom pertama di dunia yang bekerja muncul pada tahun 1955 di Inggris. Pencipta mereka adalah fisikawan eksperimental Inggris Dr. Louis Essen. Jam ini bekerja berdasarkan getaran atom cesium-133, dan berkat mereka, para ilmuwan akhirnya dapat mengukur waktu dengan akurasi yang jauh lebih tinggi daripada sebelumnya. Perangkat pertama Essen memungkinkan kesalahan tidak lebih dari satu detik untuk setiap seratus tahun, tetapi kemudian meningkat berkali-kali lipat dan kesalahan per detik hanya dapat terakumulasi dalam 2-3 ratusan juta tahun.

Jam atom: cara kerjanya

Bagaimana cara kerja "perangkat" yang cerdik ini? Sebagai pembangkit frekuensi resonansi, jam atom menggunakan molekul atau atom pada tingkat kuantum. menetapkan hubungan antara sistem "inti atom - elektron" dengan beberapa tingkat energi diskrit. Jika sistem seperti itu dipengaruhi dengan frekuensi yang ditentukan secara ketat, maka transisi sistem ini dari level rendah ke level tinggi akan terjadi. Proses sebaliknya juga dimungkinkan: transisi atom dari tingkat yang lebih tinggi ke tingkat yang lebih rendah, disertai dengan emisi energi. Fenomena ini dapat dikontrol dan dicatat semua lompatan energi dengan menciptakan sesuatu seperti rangkaian osilasi (juga disebut osilator atom). Frekuensi resonansinya akan sesuai dengan perbedaan energi antara tingkat transisi atom yang berdekatan, dibagi dengan konstanta Planck.

Sirkuit osilasi semacam itu memiliki keunggulan yang tidak dapat disangkal dibandingkan pendahulunya secara mekanis dan astronomis. Untuk satu osilator atom seperti itu, frekuensi resonansi atom dari zat apa pun akan sama, yang tidak dapat dikatakan tentang pendulum dan piezocrystals. Selain itu, atom tidak mengubah sifat mereka dari waktu ke waktu dan tidak aus. Oleh karena itu, jam atom adalah kronometer yang sangat akurat dan hampir abadi.

Waktu yang akurat dan teknologi modern

Jaringan telekomunikasi, komunikasi satelit, GPS, server NTP, transaksi elektronik di bursa, lelang online, prosedur pembelian tiket melalui Internet - semua ini dan banyak fenomena lainnya telah lama mapan dalam kehidupan kita. Tetapi jika umat manusia tidak menemukan jam atom, semua ini tidak akan terjadi. Waktu yang akurat, sinkronisasi yang memungkinkan Anda meminimalkan kesalahan, penundaan, dan penundaan, memungkinkan seseorang untuk memanfaatkan sumber daya tak ternilai yang tak ternilai ini, yang tidak pernah terlalu banyak.

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 mekanisme dalam kotak emas, yang akan dicetak pada printer 3D yang populer. Belum dihitung secara pasti berapa banyak emas yang akan digunakan untuk versi kasing ini, 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.

Ketika lampu tiba-tiba padam dan menyala kembali beberapa saat kemudian, bagaimana Anda tahu jam berapa jam perlu disetel? Ya, saya sedang berbicara tentang jam tangan elektronik, yang mungkin dimiliki banyak dari kita. Pernahkah Anda berpikir tentang bagaimana waktu diatur? Pada artikel ini, kita akan mempelajari semua tentang jam atom dan bagaimana mereka membuat seluruh dunia berdetak.

Apakah jam atom radioaktif?

Jam atom memberi tahu waktu lebih baik daripada jam lainnya. Mereka memberi tahu waktu lebih baik daripada rotasi Bumi dan pergerakan bintang-bintang. Tanpa jam atom, navigasi GPS tidak akan mungkin, Internet tidak akan disinkronkan, dan posisi planet-planet tidak akan diketahui dengan akurasi yang memadai untuk wahana antariksa dan kendaraan.

Jam atom tidak radioaktif. Mereka tidak bergantung pada peluruhan atom. Apalagi mereka memiliki pegas, seperti jam tangan biasa. Perbedaan terbesar antara jam standar dan jam atom adalah bahwa osilasi pada jam atom terjadi di inti atom antara elektron di sekitarnya. Osilasi ini hampir tidak dapat disebut sejajar dengan roda keseimbangan dalam jam yang berliku, tetapi kedua jenis osilasi ini dapat digunakan untuk melacak waktu yang berlalu. Frekuensi osilasi dalam atom ditentukan oleh massa inti, gravitasi, dan "pegas" elektrostatik antara muatan positif inti dan awan elektron di sekitarnya.

Jenis jam atom apa yang kita ketahui?

Saat ini ada berbagai jenis jam atom, tetapi dibuat dengan prinsip yang sama. Perbedaan utama terkait dengan elemen dan cara mendeteksi perubahan tingkat energi. Di antara berbagai jenis jam atom, ada yang berikut:

• Jam atom cesium menggunakan berkas atom cesium. Jam memisahkan atom cesium dengan tingkat energi yang berbeda oleh medan magnet.
• Jam atom hidrogen menjaga atom hidrogen pada tingkat energi yang tepat dalam wadah yang dindingnya terbuat dari bahan khusus, sehingga atom tidak kehilangan energi tinggi terlalu cepat.
• Jam atom rubidium, yang paling sederhana dan paling ringkas, menggunakan sel kaca yang diisi dengan gas rubidium.

Jam atom paling akurat saat ini menggunakan atom cesium dan medan magnet konvensional dengan detektor. Selain itu, atom cesium ditahan oleh sinar laser, yang mengurangi perubahan frekuensi kecil karena efek Doppler.

Bagaimana cara kerja jam atom berbasis cesium?

Atom memiliki frekuensi getaran yang khas. Contoh umum frekuensi adalah cahaya oranye natrium dalam garam meja ketika dilemparkan ke dalam api. Atom memiliki banyak frekuensi yang berbeda, beberapa dalam jangkauan radio, beberapa dalam spektrum yang terlihat, dan beberapa di antaranya. Cesium-133 paling sering dipilih untuk jam atom.

Untuk menyebabkan resonansi atom cesium dalam jam atom, salah satu transisi, atau frekuensi resonansi, harus diukur dengan tepat. Ini biasanya dilakukan dengan menghalangi osilator kristal dalam resonansi gelombang mikro dasar atom cesium. Sinyal ini berada dalam jangkauan gelombang mikro dari spektrum frekuensi radio dan memiliki frekuensi yang sama dengan sinyal dari satelit siaran langsung. Para insinyur tahu cara membuat peralatan untuk wilayah spektrum ini, hingga ke detail terkecil.

Untuk membuat jam, cesium pertama-tama dipanaskan sehingga atom-atomnya menguap dan melewati tabung vakum tinggi. Pertama, mereka melewati medan magnet, yang memilih atom dengan keadaan energi yang diinginkan; kemudian mereka melewati medan gelombang mikro yang intens. Frekuensi energi gelombang mikro melompat bolak-balik dalam pita frekuensi yang sempit, sehingga pada suatu saat mencapai frekuensi 9.192.631.770 hertz (Hz, atau siklus per detik). Kisaran osilator gelombang mikro sudah dekat dengan frekuensi ini, karena dihasilkan oleh osilator kristal yang presisi. Ketika atom cesium menerima energi gelombang mikro dengan frekuensi yang diinginkan, ia mengubah keadaan energinya.

Di ujung tabung, medan magnet lain memisahkan atom, yang telah mengubah keadaan energinya jika medan gelombang mikro berada pada frekuensi yang tepat. Detektor di ujung tabung memberikan output yang sebanding dengan jumlah atom cesium yang menabraknya, dan mencapai puncaknya ketika frekuensi gelombang mikro cukup benar. Sinyal puncak ini diperlukan untuk koreksi untuk membawa osilator kristal, dan karenanya medan gelombang mikro, ke frekuensi yang diinginkan. Frekuensi yang dikunci ini kemudian dibagi dengan 9.192.631.770 untuk memberikan satu pulsa yang familiar per detik yang dibutuhkan dunia nyata.

Kapan jam atom ditemukan?

Pada tahun 1945, profesor fisika Universitas Columbia Isidore Rabi mengusulkan sebuah jam yang dapat dibuat menggunakan teknik yang dikembangkan pada tahun 1930-an. Itu disebut sinar atom resonansi magnetik. Pada tahun 1949, Biro Standar Nasional mengumumkan pembuatan jam atom pertama di dunia berdasarkan molekul amonia, yang getarannya dibaca, dan pada tahun 1952 telah menciptakan jam atom pertama di dunia berdasarkan atom cesium, NBS-1.

Pada tahun 1955, National Physical Laboratory di Inggris membangun jam pertama menggunakan sinar cesium sebagai sumber kalibrasi. Selama dekade berikutnya, jam tangan yang lebih canggih diciptakan. Pada tahun 1967, selama Konferensi Umum ke-13 tentang Berat dan Ukuran, detik SI ditentukan berdasarkan getaran dalam atom cesium. Tidak ada definisi yang lebih baik dalam sistem ketepatan waktu dunia selain ini. NBS-4, jam cesium paling stabil di dunia, selesai dibangun pada tahun 1968 dan digunakan hingga tahun 1990.

Sebuah sensasi telah menyebar ke seluruh dunia ilmiah - waktu menguap dari Semesta kita! Sejauh ini, ini hanya hipotesis astrofisikawan Spanyol. Tetapi fakta bahwa aliran waktu di Bumi dan di luar angkasa berbeda telah dibuktikan oleh para ilmuwan. Waktu mengalir lebih lambat di bawah pengaruh gravitasi, semakin cepat saat Anda menjauh dari planet ini. Tugas sinkronisasi waktu terestrial dan kosmik dilakukan oleh standar frekuensi hidrogen, yang juga disebut "jam atom".

Waktu atom pertama kali muncul seiring dengan munculnya astronotika, jam atom muncul pada pertengahan tahun 1920-an. Sekarang jam atom telah menjadi hal yang biasa, kita masing-masing menggunakannya setiap hari: mereka bekerja dengan komunikasi digital, GLONAS, navigasi, dan transportasi.

Pemilik ponsel hampir tidak memikirkan berapa banyak pekerjaan di ruang angkasa yang dilakukan untuk sinkronisasi waktu yang ketat, tetapi kita hanya berbicara tentang sepersejuta detik.

Standar waktu yang tepat disimpan di wilayah Moskow, di Institut Ilmiah Pengukuran Fisik-Teknis dan Radio-Teknis. Ada 450 jam tangan seperti itu di dunia.

Rusia dan AS adalah perusahaan monopoli untuk jam atom, tetapi di AS jam bekerja berdasarkan cesium, logam radioaktif yang sangat berbahaya bagi lingkungan, dan di Rusia, berdasarkan hidrogen, bahan tahan lama yang lebih aman.

Jam tangan ini tidak memiliki dial dan jarum jam: terlihat seperti tong besar yang terbuat dari logam langka dan berharga, diisi dengan teknologi tercanggih - instrumen dan peralatan pengukur presisi tinggi dengan standar atom. Proses penciptaan mereka sangat panjang, kompleks dan berlangsung dalam kondisi sterilitas mutlak.

Selama 4 tahun, jam yang dipasang di satelit Rusia telah mempelajari energi gelap. Menurut standar manusia, mereka kehilangan akurasi 1 detik dalam jutaan tahun.

Segera, jam atom akan dipasang di Spektr-M, sebuah observatorium luar angkasa yang akan melihat bagaimana bintang dan planet ekstrasurya terbentuk, melihat melampaui tepi lubang hitam di pusat Galaksi kita. Menurut para ilmuwan, karena gravitasi yang mengerikan, waktu mengalir di sini sangat lambat hingga hampir berhenti.

tvroscosmos

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.