Jam atom presisi tinggi yang membuat kesalahan satu detik dalam 300 juta tahun. Jam ini, yang menggantikan model lama yang memiliki kesalahan satu detik dalam seratus juta tahun, sekarang menetapkan standar untuk waktu sipil Amerika. Lenta.ru memutuskan untuk mengingat sejarah penciptaan jam atom.

atom pertama

Untuk membuat jam, cukup menggunakan proses periodik apa pun. Dan sejarah munculnya alat pengukur waktu sebagian adalah sejarah munculnya sumber energi baru atau sistem osilasi baru yang digunakan dalam jam tangan. Jam paling sederhana mungkin adalah jam matahari, yang hanya membutuhkan matahari dan objek untuk menghasilkan bayangan untuk beroperasi. Kerugian dari metode penentuan waktu ini sudah jelas. Air dan jam pasir juga tidak lebih baik: mereka hanya cocok untuk mengukur periode waktu yang relatif singkat.

Jam mekanis tertua ditemukan pada tahun 1901 di dekat pulau Antikythera di atas kapal yang tenggelam di Laut Aegea. Mereka berisi sekitar 30 roda gigi perunggu dalam kotak kayu berukuran 33 kali 18 kali 10 sentimeter dan berasal dari sekitar 100 SM.

Selama hampir dua ribu tahun, jam tangan mekanik telah menjadi yang paling akurat dan dapat diandalkan. Munculnya karya klasik Christian Huygens "Jam Pendulum" pada tahun 1657 ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrasi geometrica") dengan deskripsi perangkat referensi waktu dengan pendulum sebagai sistem berosilasi, mungkin adalah apogee dalam sejarah perkembangan alat mekanis jenis ini.

Namun, para astronom dan navigator masih menggunakan langit berbintang dan peta untuk menentukan lokasi dan waktu yang tepat. Jam listrik pertama ditemukan pada tahun 1814 oleh Francis Ronalds. Namun, instrumen tersebut pertama tidak akurat karena kepekaannya terhadap perubahan suhu.

Sejarah lebih lanjut dari jam tangan terhubung dengan penggunaan sistem osilasi yang berbeda dalam perangkat. Diperkenalkan pada tahun 1927 oleh karyawan Bell Labs, jam tangan kuarsa menggunakan sifat piezoelektrik kristal kuarsa: ketika arus listrik diterapkan padanya, kristal mulai menyusut. Kronometer kuarsa modern dapat mencapai akurasi hingga 0,3 detik per bulan. Namun, karena kuarsa dapat mengalami penuaan, seiring waktu arloji menjadi kurang akurat.

Dengan perkembangan fisika atom, para ilmuwan mengusulkan penggunaan partikel materi sebagai sistem osilasi. Ini adalah bagaimana jam atom pertama kali muncul. Gagasan menggunakan getaran atom hidrogen untuk mengukur waktu diusulkan kembali pada tahun 1879 oleh fisikawan Inggris Lord Kelvin, tetapi ini menjadi mungkin hanya pada pertengahan abad ke-20.

Reproduksi lukisan oleh Hubert von Herkomer (1907)

Pada 1930-an, fisikawan Amerika dan penemu resonansi magnetik nuklir, Isidore Rabi, mulai mengerjakan jam atom cesium-133, tetapi pecahnya perang mencegahnya. Sudah setelah perang, pada tahun 1949, jam molekuler pertama yang menggunakan molekul amonia dibuat di Komite Standar Nasional AS dengan partisipasi Harold Lyonson. Tetapi instrumen pertama untuk mengukur waktu tidak seakurat jam atom modern.

Akurasi yang relatif rendah disebabkan oleh fakta bahwa karena interaksi molekul amonia satu sama lain dan dengan dinding wadah tempat zat ini berada, energi molekul berubah dan garis spektralnya melebar. Efek ini sangat mirip dengan gesekan pada jam tangan mekanis.

Kemudian, pada tahun 1955, Louis Esssen dari Laboratorium Fisika Nasional Inggris memperkenalkan jam atom cesium-133 pertama. Jam ini mengumpulkan kesalahan satu detik dalam sejuta tahun. Perangkat itu diberi nama NBS-1 dan mulai dianggap sebagai standar frekuensi sesium.

Diagram rangkaian jam atom terdiri dari osilator kristal yang dikendalikan oleh diskriminator umpan balik. Osilator menggunakan sifat piezoelektrik kuarsa, sedangkan diskriminator menggunakan getaran energi atom, sehingga getaran kuarsa dilacak oleh sinyal dari transisi dari tingkat energi yang berbeda dalam atom atau molekul. Antara generator dan diskriminator ada kompensator yang disetel ke frekuensi getaran atom dan membandingkannya dengan frekuensi getaran kristal.

Atom-atom yang digunakan dalam jam harus memberikan getaran yang stabil. Setiap frekuensi radiasi elektromagnetik memiliki atomnya sendiri: kalsium, strontium, rubidium, sesium, hidrogen. Atau bahkan molekul amonia dan yodium.

standar waktu

Dengan munculnya alat pengukur waktu atom, menjadi mungkin untuk menggunakannya sebagai standar universal untuk menentukan detik. Sejak 1884, waktu Greenwich, yang dianggap sebagai standar dunia, telah digantikan oleh standar jam atom. Pada tahun 1967, dengan keputusan Konferensi Umum Berat dan Ukuran ke-12, satu detik didefinisikan sebagai durasi 9192631770 periode radiasi yang sesuai dengan transisi antara dua tingkat hiperhalus dari keadaan dasar atom cesium-133. Definisi satu detik ini tidak bergantung pada parameter astronomi dan dapat direproduksi di mana saja di planet ini. Cesium-133, yang digunakan dalam jam atom standar, adalah satu-satunya isotop cesium yang stabil dengan kelimpahan 100% di Bumi.

Jam atom juga digunakan dalam sistem navigasi satelit; mereka diperlukan untuk menentukan waktu dan koordinat satelit yang tepat. Dengan demikian, setiap satelit dari sistem GPS memiliki empat set jam tersebut: dua rubidium dan dua cesium, yang memberikan akurasi transmisi sinyal 50 nanodetik. Satelit Rusia dari sistem GLONASS juga memiliki perangkat pengukur waktu atom cesium dan rubidium, dan satelit dari sistem geoposisi Eropa Galileo dilengkapi dengan hidrogen dan rubidium.

Keakuratan jam hidrogen adalah yang tertinggi. Ini adalah 0,45 nanodetik dalam 12 jam. Tampaknya, penggunaan jam akurat oleh Galileo akan membawa sistem navigasi ini ke depan pada tahun 2015, ketika 18 satelitnya akan mengorbit.

Jam atom kompak

Hewlett-Packard adalah perusahaan pertama yang mengembangkan jam atom kompak. Pada tahun 1964, ia menciptakan instrumen cesium HP 5060A, seukuran koper besar. Perusahaan terus mengembangkan arah ini, tetapi sejak 2005 telah menjual divisi jam atomnya ke Symmetricom.

Pada tahun 2011, Draper Laboratories dan Sandia National Laboratories mengembangkan dan Symmetricom merilis jam atom mini Quantum pertama. Pada saat rilis, harganya sekitar 15 ribu dolar, terbungkus dalam wadah tertutup berukuran 40 kali 35 kali 11 milimeter dan beratnya 35 gram. Konsumsi daya jam tangan ini kurang dari 120 miliwatt. Awalnya, mereka dikembangkan atas perintah Pentagon dan dimaksudkan untuk melayani sistem navigasi yang berfungsi secara independen dari sistem GPS, misalnya, jauh di bawah air atau darat.

Sudah pada akhir 2013, perusahaan Amerika Bathys Hawaii memperkenalkan jam atom "pergelangan tangan" pertama. Mereka menggunakan chip SA.45s yang diproduksi oleh Symmetricom sebagai komponen utama. Di dalam chip ada kapsul dengan cesium-133. Desain jam tangan juga mencakup fotosel dan laser berdaya rendah. Yang terakhir memberikan pemanasan cesium gas, sebagai akibatnya atom-atomnya mulai bergerak dari satu tingkat energi ke tingkat energi lainnya. Pengukuran waktu hanya dilakukan dengan memperbaiki transisi seperti itu. Biaya perangkat baru sekitar 12 ribu dolar.

Tren ke arah miniaturisasi, otonomi, dan akurasi akan mengarah pada fakta bahwa dalam waktu dekat akan ada perangkat baru yang menggunakan jam atom di semua bidang kehidupan manusia, mulai dari penelitian luar angkasa tentang satelit dan stasiun yang mengorbit hingga aplikasi domestik di sistem dalam ruangan dan pergelangan tangan.

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.

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 pemancar 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 kerja pertama di dunia 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.

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 dalam 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 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.

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 bersamaan 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 paling canggih - 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 sehingga hampir berhenti.

tvroscosmos