ატომური რეაქტორები და ელექტრონული კრისტალები კონსტანტინე ჩილოვსკი (დ. 1881), რუსი ინჟინერი, გამომგონებელი. მან გამოიგონა წყალქვეშა ნავების აღმოსაჩენი მოწყობილობა, რომელიც ფართოდ გამოიყენებოდა პირველი მსოფლიო ომის დროს (1914-1918). გამოგონებისთვის დაჯილდოვდა ფრანგული ორდენით

პირველ რიგში, საათი იყენებს კაცობრიობას, როგორც პროგრამის დროის კონტროლის საშუალებას.

მეორეც, დღეს დროის გაზომვა არის ასევე ყველა ჩატარებული გაზომვის ყველაზე ზუსტი ტიპი: დროის გაზომვის სიზუსტე ახლა განისაზღვრება წარმოუდგენელი შეცდომით 1 10-11% ბრძანებით, ანუ 1 წმ 300 ათასი წლის განმავლობაში.

და თანამედროვე ადამიანებმა მიაღწიეს ასეთ სიზუსტეს, როდესაც დაიწყეს გამოყენება ატომები, რომლებიც, მათი რხევების შედეგად, ატომური საათის რეგულატორია. ცეზიუმის ატომები ჩვენ გვჭირდება ორ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში (+) და (-). ელექტრომაგნიტური გამოსხივება 9,192,631,770 ჰერცის სიხშირით წარმოიქმნება, როდესაც ატომები გადადიან მდგომარეობიდან (+)-ზე (-), რაც ქმნის ზუსტ მუდმივ პერიოდულ პროცესს - ატომური საათის კოდის მაკონტროლებელს.

იმისათვის, რომ ატომურმა საათებმა ზუსტად იმუშაონ, ცეზიუმი უნდა აორთქლდეს ღუმელში, რის შედეგადაც მისი ატომები გამოიდევნება. ღუმელის უკან არის დამახარისხებელი მაგნიტი, რომელსაც აქვს ატომების ტევადობა (+) მდგომარეობაში და მასში, მიკროტალღურ ველში დასხივების გამო, ატომები გადადიან (-) მდგომარეობაში. მეორე მაგნიტი მიმართავს ატომებს, რომლებმაც შეცვალეს მდგომარეობა (+) და (-) მიმღებ მოწყობილობაზე. ბევრი ატომები, რომლებმაც შეცვალეს მდგომარეობა, მიიღება მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მიკროტალღური ემიტერის სიხშირე ზუსტად ემთხვევა ცეზიუმის ვიბრაციების სიხშირეს 9 192 631 770 ჰერცი. წინააღმდეგ შემთხვევაში, მიმღებში ატომების რაოდენობა (-) მცირდება.

ინსტრუმენტები მუდმივად აკონტროლებენ და არეგულირებენ 9 192 631 770 ჰერცის სიხშირის მუდმივობას. ასე რომ, საათების დიზაინერების ოცნება ახდა, აღმოჩნდა აბსოლუტურად მუდმივი პერიოდული პროცესი: 9,192,631,770 ჰერცის სიხშირე, რომელიც არეგულირებს ატომური საათების კურსს.

დღეს, საერთაშორისო შეთანხმების შედეგად, მეორე განისაზღვრება, როგორც გამოსხივების პერიოდი გამრავლებული 9,192,631,770-ით, რაც შეესაბამება ცეზიუმის ატომის ძირითადი მდგომარეობის ორ ჰიპერწვრილ სტრუქტურულ დონეს შორის გადასვლას (ცეზიუმ-133 იზოტოპი).

ზუსტი დროის გასაზომად, ასევე შეგიძლიათ გამოიყენოთ სხვა ატომებისა და მოლეკულების ვიბრაციები, როგორიცაა კალციუმის, რუბიდიუმის, ცეზიუმის, სტრონციუმის, წყალბადის მოლეკულების, იოდის, მეთანის ატომები და ა.შ. თუმცა, ცეზიუმის ატომის გამოსხივება აღიარებულია, როგორც სიხშირის სტანდარტი. იმისათვის, რომ შევადაროთ სხვადასხვა ატომების ვიბრაცია სტანდარტთან (ცეზიუმთან), შეიქმნა ტიტან-საფირონის ლაზერი, რომელიც წარმოქმნის სიხშირის ფართო დიაპაზონს 400-დან 1000 ნმ-მდე.

კვარცის და ატომური საათების პირველი შემქმნელი იყო ინგლისელი ექსპერიმენტატორი ფიზიკოსი ესენ ლუისი (1908-1997). 1955 წელს მან შექმნა პირველი ატომური სიხშირის (დრო) სტანდარტი ცეზიუმის ატომების სხივზე. ამ სამუშაოს შედეგად, 3 წლის შემდეგ (1958) გაჩნდა დროის სერვისი ატომური სიხშირის სტანდარტის საფუძველზე.

სსრკ-ში აკადემიკოსმა ნიკოლაი გენადიევიჩ ბასოვმა წამოაყენა თავისი იდეები ატომური საათების შექმნის შესახებ.

Ისე, ატომური საათი,საათის ერთ-ერთი ზუსტი ტიპია დროის საზომი მოწყობილობა, სადაც ატომების ან მოლეკულების ბუნებრივი რხევები გამოიყენება როგორც ქანქარა. ატომური საათების სტაბილურობა საუკეთესოა ყველა არსებულ ტიპის საათებს შორის, რაც არის უმაღლესი სიზუსტის გასაღები. ატომური საათის გენერატორი აწარმოებს 32768-ზე მეტ იმპულსს წამში, ჩვეულებრივი საათისგან განსხვავებით. ატომების რხევები არ არის დამოკიდებული ჰაერის ტემპერატურაზე, ვიბრაციაზე, ტენიანობაზე და ბევრ სხვა გარე ფაქტორზე.

თანამედროვე სამყაროში, როდესაც ნავიგაცია უბრალოდ შეუცვლელია, ატომური საათები შეუცვლელი ასისტენტები გახდა. მათ შეუძლიათ სატელიტური კომუნიკაციების საშუალებით ავტომატურად განსაზღვრონ კოსმოსური ხომალდის, თანამგზავრის, ბალისტიკური რაკეტის, თვითმფრინავის, წყალქვეშა ნავის, მანქანის მდებარეობა.

ამრიგად, ბოლო 50 წლის განმავლობაში, ატომური საათები, უფრო სწორად, ცეზიუმის საათები, ყველაზე ზუსტი იყო. მათ დიდი ხანია იყენებენ დროის აღრიცხვის სამსახურები და დროის სიგნალებს ასევე ავრცელებენ ზოგიერთი რადიოსადგური.

ატომური საათის მოწყობილობა მოიცავს 3 ნაწილს:

კვანტური დისკრიმინატორი,

კვარცის ოსცილატორი,

ელექტრონიკის კომპლექსი.

კვარცის ოსცილატორი წარმოქმნის სიხშირეს (5 ან 10 MHz). ოსცილატორი არის RC რადიო გენერატორი, რომელშიც კვარცის კრისტალის პიეზოელექტრული რეჟიმები გამოიყენება რეზონანსულ ელემენტად, სადაც შედარებულია ატომები, რომლებმაც შეცვალეს მდგომარეობა (+) და (-). მდგრადობის გასაზრდელად, მისი სიხშირე მუდმივად არის. კვანტური დისკრიმინატორის (ატომების ან მოლეკულების) რხევებთან შედარებით. როდესაც არსებობს განსხვავება რხევებში, ელექტრონიკა არეგულირებს კვარცის ოსცილატორის სიხშირეს ნულამდე, რითაც ზრდის საათის სტაბილურობას და სიზუსტეს სასურველ დონემდე.

დღევანდელ მსოფლიოში ატომური საათების დამზადება შესაძლებელია მსოფლიოს ნებისმიერ ქვეყანაში ყოველდღიურ ცხოვრებაში გამოსაყენებლად. ისინი ძალიან მცირე ზომის და ლამაზია. ატომური საათების უახლესი სიახლის ზომა არაუმეტეს ასანთის ყუთისა და მათი დაბალი ენერგომოხმარება 1 ვატზე ნაკლებია. და ეს არ არის ლიმიტი, შესაძლოა მომავალში ტექნოლოგიური პროგრესი მობილურ ტელეფონებსაც მიაღწევს. ამასობაში კომპაქტური ატომური საათები დამონტაჟებულია მხოლოდ სტრატეგიულ რაკეტებზე, რათა ნავიგაციის სიზუსტე მრავალჯერ გაიზარდოს.

დღესდღეობით ონლაინ მაღაზიებში შეგიძლიათ შეიძინოთ მამაკაცის და ქალის ატომური საათები ყველა გემოვნებისა და ბიუჯეტისთვის.

2011 წელს მსოფლიოში ყველაზე პატარა ატომური საათი შეიქმნა Symmetricom-ისა და Sandia National Laboratory-ის მიერ. ეს საათი 100-ჯერ უფრო კომპაქტურია ვიდრე წინა კომერციულად ხელმისაწვდომი ვერსიები. ატომური ქრონომეტრის ზომა არ აღემატება ასანთის კოლოფს. მუშაობისთვის მას სჭირდება 100 მვტ სიმძლავრე, რაც 100-ჯერ ნაკლებია მის წინამორბედებზე.

საათის ზომის შემცირება შესაძლებელი გახდა ზამბარებისა და მექანიზმების ნაცვლად მექანიზმის დაყენებით, რომელიც მოქმედებს ცეზიუმის ატომების მიერ გამოსხივებული ელექტრომაგნიტური ტალღების სიხშირის განსაზღვრის პრინციპით, უმნიშვნელო სიმძლავრის ლაზერის სხივის გავლენის ქვეშ.

ასეთი საათები გამოიყენება ნავიგაციაში, ასევე მაღაროელების, მყვინთავების მუშაობაში, სადაც საჭიროა კოლეგებთან დროის ზუსტად სინქრონიზაცია ზედაპირზე, ასევე ზუსტი დროის სერვისები, რადგან ატომური საათის შეცდომა 0.000001 წილადზე ნაკლებია. წამით დღეში. რეკორდული პატარა Symmetricom ატომური საათის ღირებულება დაახლოებით $1500 იყო.

დროის საზომი მოწყობილობების შემუშავებაში ახალი იმპულსი მისცეს ატომურმა ფიზიკოსებმა.

1949 წელს აშენდა პირველი ატომური საათი, სადაც რხევების წყარო იყო არა ქანქარა ან კვარცის ოსცილატორი, არამედ სიგნალები, რომლებიც დაკავშირებულია ელექტრონის კვანტურ გადასვლასთან ატომის ორ ენერგეტიკულ დონეს შორის.

პრაქტიკაში, ასეთი საათები არც თუ ისე ზუსტი აღმოჩნდა, უფრო მეტიც, ისინი იყო მოცულობითი და ძვირი და არ იყო ფართოდ გამოყენებული. შემდეგ გადაწყდა ქიმიურ ელემენტზე - ცეზიუმზე გადასვლა. და 1955 წელს გამოჩნდა პირველი ატომური საათი ცეზიუმის ატომებზე დაფუძნებული.

1967 წელს გადაწყდა ატომური დროის სტანდარტზე გადასვლა, რადგან დედამიწის ბრუნვა ნელდება და ამ შენელების სიდიდე არ არის მუდმივი. ამან დიდად შეაფერხა ასტრონომებისა და დროის მცველების მუშაობა.

დედამიწა ამჟამად ბრუნავს დაახლოებით 2 მილიწამში 100 წელიწადში.

დღის ხანგრძლივობის რყევებიც წამის მეათასედს აღწევს. ამიტომ გრინვიჩის საშუალო დროის სიზუსტე (მსოფლიო სტანდარტი 1884 წლიდან) არასაკმარისი გახდა. 1967 წელს მოხდა ატომური დროის სტანდარტზე გადასვლა.

დღეისათვის წამი არის დროის მონაკვეთი ზუსტად უდრის 9,192,631,770 გამოსხივების პერიოდს, რაც შეესაბამება ცეზიუმ 133 ატომის ძირითადი მდგომარეობის ორ ჰიპერწვრილ დონეს შორის გადასვლას.

ამ დროისთვის, კოორდინირებული უნივერსალური დრო გამოიყენება დროის მასშტაბად. იგი ჩამოყალიბებულია წონისა და ზომების საერთაშორისო ბიუროს მიერ, სხვადასხვა ქვეყნების დროის აღრიცხვის ლაბორატორიების, ასევე დედამიწის ბრუნვის საერთაშორისო სამსახურის მონაცემების გაერთიანებით. მისი სიზუსტე თითქმის მილიონჯერ უკეთესია, ვიდრე ასტრონომიული გრინვიჩის დრო.

შემუშავებულია ტექნოლოგია, რომელიც შესაძლებელს გახდის რადიკალურად შეამციროს ულტრა ზუსტი ატომური საათების ზომა და ღირებულება, რაც შესაძლებელს გახდის მათ ფართოდ გამოყენებას მობილურ მოწყობილობებში სხვადასხვა მიზნებისთვის. მეცნიერებმა შეძლეს შექმნან ულტრა მცირე ზომის ატომური დროის სტანდარტი. ასეთი ატომური საათები მოიხმარენ 0,075 ვტ-ზე ნაკლებს და აქვთ ცდომილება არაუმეტეს ერთი წამისა 300 წელიწადში.

აშშ-ს კვლევითმა ჯგუფმა მოახერხა ულტრა კომპაქტური ატომური სტანდარტის შექმნა. შესაძლებელი გახდა ატომური საათების კვება ჩვეულებრივი AA ბატარეებიდან. ულტრა ზუსტი ატომური საათები, როგორც წესი, მინიმუმ მეტრი სიმაღლით, მოთავსებული იყო 1.5x1.5x4 მმ მოცულობით.

შეერთებულ შტატებში შეიქმნა ექსპერიმენტული ატომური საათი, რომელიც დაფუძნებულია ვერცხლისწყლის ერთ იონზე. ისინი ხუთჯერ უფრო ზუსტია ვიდრე ცეზიუმი, რომელიც მიღებულია როგორც საერთაშორისო სტანდარტი. ცეზიუმის საათები იმდენად ზუსტია, რომ ერთი წამის სხვაობა მიიღწევა მხოლოდ 70 მილიონი წლის შემდეგ, ხოლო ვერცხლისწყლის საათებისთვის ეს პერიოდი იქნება 400 მილიონი წელი.

1982 წელს ახალი ასტრონომიული ობიექტი, მილიწამიანი პულსარი ჩაერია დროის სტანდარტის ასტრონომიულ განსაზღვრებასა და მის გამარჯვებულ ატომურ საათს შორის დავაში. ეს სიგნალები ისეთივე სტაბილურია, როგორც საუკეთესო ატომური საათები

Იცოდი?

პირველი საათი რუსეთში

1412 წელს მოსკოვში, ხარების ტაძრის უკან, დიდი ჰერცოგის ეზოში მოათავსეს საათი და სერბეთის მიწიდან ჩამოსულმა სერბმა ბერმა ლაზარმა დაამზადა ისინი. სამწუხაროდ, რუსეთში ამ პირველი საათების აღწერა არ არის შემონახული.

როგორ გამოჩნდა ზარები მოსკოვის კრემლის სპასკაიას კოშკზე?

მე-17 საუკუნეში ინგლისელმა კრისტოფერ გალოვეიმ აიღო ზარები სპასკაიას კოშკისთვის: საათის წრე დაყოფილი იყო 17 სექტორად, საათის ერთადერთი მაჩვენებელი უმოძრაო იყო, ქვევით მიმართული და ციფერბლატის ნებისმიერ რიცხვზე მიუთითებდა, მაგრამ თავად აკრიფეთ ბრუნავდა.

ხშირად გვესმის ფრაზა, რომ ატომური საათი ყოველთვის აჩვენებს ზუსტ დროს. მაგრამ მათი სახელიდან ძნელია იმის გაგება, თუ რატომ არის ატომური საათები ყველაზე ზუსტი ან როგორ მუშაობს ისინი.

ის ფაქტი, რომ სახელი შეიცავს სიტყვას "ატომური" საერთოდ არ ნიშნავს იმას, რომ საათი სიცოცხლისთვის საშიშროებას წარმოადგენს, მაშინაც კი, თუ ატომური ბომბის ან ატომური ელექტროსადგურის აზრები მაშინვე გაჩნდება. ამ შემთხვევაში მხოლოდ საათის პრინციპზეა საუბარი. თუ ჩვეულებრივ მექანიკურ საათში გადაცემათა კოლოფი აკეთებს რხევად მოძრაობებს და მათი მოძრაობები ითვლება, მაშინ ატომურ საათებში ითვლიან ელექტრონების რხევებს ატომებში. მოქმედების პრინციპის უკეთ გასაგებად, გავიხსენოთ ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკა.

ჩვენს სამყაროში ყველა ნივთიერება შედგება ატომებისგან. ატომები შედგება პროტონების, ნეიტრონების და ელექტრონებისგან. პროტონები და ნეიტრონები ერწყმის ერთმანეთს და ქმნიან ბირთვს, რომელსაც ასევე უწოდებენ ნუკლეონს. ელექტრონები მოძრაობენ ბირთვის გარშემო, რომელიც შეიძლება იყოს სხვადასხვა ენერგეტიკულ დონეზე. ყველაზე საინტერესო ის არის, რომ ენერგიის შთანთქმის ან გაცემისას ელექტრონს შეუძლია გადავიდეს მისი ენერგეტიკული დონიდან უფრო მაღალ ან დაბალ დონეზე. ელექტრონს შეუძლია მიიღოს ენერგია ელექტრომაგნიტური გამოსხივებისგან თითოეული გადასვლისას გარკვეული სიხშირის ელექტრომაგნიტური გამოსხივების შთანთქმით ან გამოსხივებით.

ყველაზე ხშირად არის საათები, რომლებშიც ცეზიუმ -133 ელემენტის ატომები გამოიყენება შესაცვლელად. თუ 1 წამში ქანქარა ჩვეულებრივი საათებიაკეთებს 1 რხევად მოძრაობას, შემდეგ ელექტრონებს ატომურ საათებშიცეზიუმ-133-ზე დაფუძნებული, ერთი ენერგეტიკული დონიდან მეორეზე გადასვლისას ისინი ასხივებენ ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას 9192631770 ჰც სიხშირით. გამოდის, რომ ერთი წამი იყოფა ზუსტად ამ რაოდენობის ინტერვალებად, თუ ის გამოითვლება ატომურ საათებში. ეს ღირებულება ოფიციალურად იქნა მიღებული საერთაშორისო საზოგადოების მიერ 1967 წელს. წარმოიდგინეთ უზარმაზარი ციფერბლატი, სადაც არის არა 60, არამედ 9192631770 დივიზია, რომელიც მხოლოდ 1 წამია. გასაკვირი არ არის, რომ ატომური საათები ასე ზუსტია და აქვს მთელი რიგი უპირატესობები: ატომები არ ბერდება, არ ცვდებიან და რხევის სიხშირე ყოველთვის იგივე იქნება ერთი ქიმიური ელემენტისთვის, რაც შესაძლებელს ხდის ერთდროულად შედარებას. მაგალითად, ატომური საათების კითხვა კოსმოსში და დედამიწაზე, შეცდომების არ ეშინია.

ატომური საათების წყალობით კაცობრიობამ პრაქტიკაში შეძლო შეემოწმებინა ფარდობითობის თეორიის სისწორე და დარწმუნდა, რომ, ვიდრე დედამიწაზე. ატომური საათები დამონტაჟებულია ბევრ თანამგზავრზე და კოსმოსურ ხომალდზე, ისინი გამოიყენება სატელეკომუნიკაციო საჭიროებისთვის, მობილური კომუნიკაციებისთვის, ისინი ადარებენ ზუსტ დროს მთელ პლანეტაზე. გაზვიადების გარეშე, ატომური საათის გამოგონების წყალობით კაცობრიობამ შეძლო მაღალი ტექნოლოგიების ეპოქაში შესვლა.

როგორ მუშაობს ატომური საათები?

ცეზიუმი-133 თბება ცეზიუმის ატომების აორთქლებით, რომლებიც გადის მაგნიტურ ველში, სადაც ირჩევენ სასურველი ენერგეტიკული მდგომარეობების მქონე ატომებს.

შემდეგ შერჩეული ატომები გადიან მაგნიტურ ველში 9192631770 ჰც-თან ახლოს სიხშირით, რაც ქმნის კვარცის ოსცილატორს. ველის გავლენით, ცეზიუმის ატომები კვლავ ცვლიან ენერგეტიკულ მდგომარეობებს და ეცემა დეტექტორზე, რომელიც აფიქსირებს, როდის ექნება შემომავალი ატომების უდიდეს რაოდენობას "სწორი" ენერგეტიკული მდგომარეობა. შეცვლილი ენერგეტიკული მდგომარეობით ატომების მაქსიმალური რაოდენობა მიუთითებს იმაზე, რომ მიკროტალღური ველის სიხშირე სწორად არის არჩეული, შემდეგ კი მისი მნიშვნელობა მიეწოდება ელექტრონულ მოწყობილობას - სიხშირის გამყოფს, რომელიც სიხშირის შემცირებას მთელი რიცხვით ჯერ იღებს. ნომერი 1, რომელიც არის მინიშნება მეორე.

ამრიგად, ცეზიუმის ატომები გამოიყენება კრისტალური ოსცილატორის მიერ წარმოქმნილი მაგნიტური ველის სწორი სიხშირის შესამოწმებლად, რაც ხელს უწყობს მის მუდმივ შენარჩუნებას.

Ეს საინტერესოა: მიუხედავად იმისა, რომ დღეს არსებული ატომური საათები უპრეცედენტო ზუსტია და შეუძლიათ მილიონობით წლის განმავლობაში შეცდომების გარეშე იმუშაონ, ფიზიკოსები აქ გაჩერებას არ აპირებენ. სხვადასხვა ქიმიური ელემენტების ატომების გამოყენებით, ისინი მუდმივად მუშაობენ ატომური საათების სიზუსტის გასაუმჯობესებლად. უახლესი გამოგონებებიდან - ატომური საათები სტრონციუმი, რომლებიც სამჯერ უფრო ზუსტია ვიდრე მათი ცეზიუმის ანალოგი. მათ დასჭირდებათ 15 მილიარდი წელი, რომ მხოლოდ წამით ჩამორჩნენ - დრო უფრო მეტი ვიდრე ჩვენი სამყაროს ასაკი…

თუ შეცდომას იპოვით, გთხოვთ, მონიშნეთ ტექსტის ნაწილი და დააწკაპუნეთ Ctrl+Enter.

მაღალი სიზუსტის ატომური საათები, რომლებიც 300 მილიონ წელიწადში ერთი წამის შეცდომას უშვებენ. ეს საათი, რომელმაც შეცვალა ძველი მოდელი, რომელსაც ჰქონდა ერთი წამის შეცდომა ასი მილიონი წლის განმავლობაში, ახლა ადგენს სტანდარტს ამერიკის სამოქალაქო დროისთვის. Lenta.ru-მ გადაწყვიტა გაიხსენოს ატომური საათების შექმნის ისტორია.

პირველი ატომი

საათის შესაქმნელად საკმარისია ნებისმიერი პერიოდული პროცესის გამოყენება. და დროის საზომი ხელსაწყოების გაჩენის ისტორია ნაწილობრივ არის ახალი ენერგიის წყაროების ან საათებში გამოყენებული ახალი რხევითი სისტემების გაჩენის ისტორია. უმარტივესი საათი, ალბათ, მზის საათია, რომლის მუშაობისთვის საჭიროა მხოლოდ მზე და ობიექტი, რომელიც ჩრდილს აყენებს. დროის განსაზღვრის ამ მეთოდის ნაკლოვანებები აშკარაა. არც წყალი და არც ქვიშის სათვალე არ ჯობია: ისინი შესაფერისია მხოლოდ დროის შედარებით მოკლე პერიოდის გასაზომად.

უძველესი მექანიკური საათი აღმოაჩინეს 1901 წელს, კუნძულ ანტიკიტერასთან ახლოს ეგეოსის ზღვაში ჩაძირულ გემზე. ისინი შეიცავს დაახლოებით 30 ბრინჯაოს მექანიზმს ხის ყუთში, რომლის ზომებია 33 x 18 x 10 სანტიმეტრი და თარიღდება დაახლოებით ძვ.წ. 100 წლით.

თითქმის ორი ათასი წლის განმავლობაში, მექანიკური საათები ყველაზე ზუსტი და საიმედო იყო. 1657 წელს კრისტიან ჰაიგენსის კლასიკური ნაწარმოების "Pendulum Clock" ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica") გამოჩენა, დროის მითითების მოწყობილობის აღწერით, ქანქარით, როგორც რხევადი სისტემა, ალბათ იყო აპოგეა ამ ტიპის მექანიკური მოწყობილობების განვითარების ისტორიაში.

თუმცა, ასტრონომები და ნავიგატორები კვლავ იყენებდნენ ვარსკვლავურ ცას და რუკებს მათი მდებარეობისა და ზუსტი დროის დასადგენად. პირველი ელექტრო საათი 1814 წელს ფრენსის რონალდსმა გამოიგონა. თუმცა, პირველი ასეთი ინსტრუმენტი არაზუსტი იყო ტემპერატურის ცვლილებებისადმი მგრძნობელობის გამო.

საათების შემდგომი ისტორია დაკავშირებულია მოწყობილობებში სხვადასხვა რხევადი სისტემის გამოყენებასთან. Bell Labs-ის თანამშრომლებმა 1927 წელს შემოიღეს, კვარცის საათები იყენებდნენ კვარცის კრისტალის პიეზოელექტრიკულ თვისებებს: როდესაც მასზე ელექტრული დენი მიემართება, კრისტალი იწყებს შეკუმშვას. თანამედროვე კვარცის ქრონომეტრებს შეუძლიათ მიაღწიონ სიზუსტეს თვეში 0,3 წამამდე. თუმცა, ვინაიდან კვარცი ექვემდებარება დაბერებას, დროთა განმავლობაში საათი ნაკლებად ზუსტი ხდება.

ატომური ფიზიკის განვითარებასთან ერთად, მეცნიერებმა შესთავაზეს მატერიის ნაწილაკების გამოყენება, როგორც რხევითი სისტემები. ასე გაჩნდა პირველი ატომური საათი. დროის გასაზომად წყალბადის ატომური ვიბრაციების გამოყენების იდეა ჯერ კიდევ 1879 წელს შემოგვთავაზა ინგლისელმა ფიზიკოსმა ლორდ კელვინმა, მაგრამ ეს შესაძლებელი გახდა მხოლოდ მე-20 საუკუნის შუა ხანებში.

ჰუბერტ ფონ ჰერკომერის ნახატის რეპროდუქცია (1907)

1930-იან წლებში ამერიკელმა ფიზიკოსმა და ბირთვული მაგნიტური რეზონანსის აღმომჩენმა ისიდორე რაბიმ დაიწყო მუშაობა ცეზიუმ-133 ატომურ საათებზე, მაგრამ ომის დაწყებამ მას ხელი შეუშალა. უკვე ომის შემდეგ, 1949 წელს, ჰაროლდ ლიონსონის მონაწილეობით აშშ-ს სტანდარტების ეროვნულ კომიტეტში შეიქმნა პირველი მოლეკულური საათი ამიაკის მოლეკულების გამოყენებით. მაგრამ პირველი ასეთი ინსტრუმენტები დროის საზომი არ იყო ისეთი ზუსტი, როგორც თანამედროვე ატომური საათები.

შედარებით დაბალი სიზუსტე განპირობებული იყო იმით, რომ ამიაკის მოლეკულების ერთმანეთთან და იმ კონტეინერის კედლებთან ურთიერთქმედების გამო, რომელშიც ეს ნივთიერება იყო განთავსებული, მოლეკულების ენერგია შეიცვალა და მათი სპექტრული ხაზები გაფართოვდა. ეს ეფექტი ძალიან ჰგავს მექანიკურ საათში ხახუნს.

მოგვიანებით, 1955 წელს, ლუი ესენმა დიდი ბრიტანეთის ეროვნული ფიზიკური ლაბორატორიიდან წარმოადგინა პირველი ცეზიუმ-133 ატომური საათი. ამ საათმა მილიონ წელიწადში ერთი წამის შეცდომა დააგროვა. მოწყობილობას ეწოდა NBS-1 და დაიწყო ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტად მიჩნევა.

ატომური საათის მიკროსქემის დიაგრამა შედგება კრისტალური ოსცილატორისგან, რომელსაც აკონტროლებს უკუკავშირის დისკრიმინატორი. ოსცილატორი იყენებს კვარცის პიეზოელექტრიკულ თვისებებს, ხოლო დისკრიმინატორი იყენებს ატომების ენერგეტიკულ ვიბრაციას, ასე რომ, კვარცის ვიბრაცია თვალყურს ადევნებს სიგნალებს ატომებში ან მოლეკულებში ენერგიის სხვადასხვა დონის გადასვლებიდან. გენერატორსა და დისკრიმინატორს შორის არის კომპენსატორი, რომელიც მორგებულია ატომური ვიბრაციების სიხშირეზე და ადარებს მას ბროლის ვიბრაციის სიხშირეს.

საათში გამოყენებული ატომები უნდა უზრუნველყოფდნენ სტაბილურ ვიბრაციას. ელექტრომაგნიტური გამოსხივების თითოეულ სიხშირეს აქვს საკუთარი ატომები: კალციუმი, სტრონციუმი, რუბიდიუმი, ცეზიუმი, წყალბადი. ან თუნდაც ამიაკის და იოდის მოლეკულები.

დროის სტანდარტი

ატომური დროის საზომი ხელსაწყოების მოსვლასთან ერთად შესაძლებელი გახდა მათი გამოყენება, როგორც უნივერსალური სტანდარტი მეორის დასადგენად. 1884 წლიდან მსოფლიო სტანდარტად მიჩნეულმა გრინვიჩის დრომ ადგილი დაუთმო ატომური საათების სტანდარტს. 1967 წელს, წონისა და ზომების მე-12 გენერალური კონფერენციის გადაწყვეტილებით, ერთი წამი განისაზღვრა, როგორც გამოსხივების 9192631770 პერიოდის ხანგრძლივობა, რომელიც შეესაბამება ცეზიუმ-133 ატომის ძირითადი მდგომარეობის ორ ჰიპერწვრილ დონეს შორის გადასვლას. წამის ეს განმარტება არ არის დამოკიდებული ასტრონომიულ პარამეტრებზე და მისი რეპროდუცირება შესაძლებელია პლანეტის ნებისმიერ წერტილში. ცეზიუმი-133, რომელიც გამოიყენება სტანდარტულ ატომურ საათში, არის ცეზიუმის ერთადერთი სტაბილური იზოტოპი დედამიწაზე 100% სიმრავლით.

ატომური საათები ასევე გამოიყენება სატელიტური სანავიგაციო სისტემაში; ისინი აუცილებელია თანამგზავრის ზუსტი დროისა და კოორდინატების დასადგენად. ამრიგად, თითოეულ GPS თანამგზავრს აქვს ასეთი საათის ოთხი ნაკრები: ორი რუბიდიუმი და ორი ცეზიუმი, რომლებიც უზრუნველყოფენ სიგნალის გადაცემის სიზუსტეს 50 ნანოწამში. GLONASS სისტემის რუსულ თანამგზავრებს ასევე აქვთ ცეზიუმის და რუბიდიუმის ატომური დროის საზომი მოწყობილობები, ხოლო გაშლილი ევროპული გეოპოზიციონირების სისტემის თანამგზავრები გალილეო აღჭურვილია წყალბადით და რუბიდიუმით.

წყალბადის საათების სიზუსტე ყველაზე მაღალია. ეს არის 0,45 ნანოწამი 12 საათში. როგორც ჩანს, გალილეოს მიერ ასეთი ზუსტი საათების გამოყენება ამ სანავიგაციო სისტემას წინა პლანზე წამოწევს 2015 წელს, როდესაც მისი 18 თანამგზავრი ორბიტაზე იქნება.

კომპაქტური ატომური საათი

Hewlett-Packard იყო პირველი კომპანია, რომელმაც შექმნა კომპაქტური ატომური საათი. 1964 წელს მან შექმნა HP 5060A ცეზიუმის ინსტრუმენტი, დიდი ჩემოდანის ზომის. კომპანია განაგრძობდა ამ მიმართულების განვითარებას, მაგრამ 2005 წლიდან მან თავისი ატომური საათის განყოფილება Symmetricom-ს მიჰყიდა.

2011 წელს Draper Laboratories-მა და Sandia National Laboratories-მა შეიმუშავეს და Symmetricom-მა გამოუშვა პირველი კვანტური მინიატურული ატომური საათი. გამოშვების დროს ისინი დაახლოებით 15 ათასი დოლარი ღირდა, ჩასმული იყო დალუქულ ყუთში 40-ზე 35-ზე 11 მილიმეტრზე და იწონიდა 35 გრამს. საათის ენერგომოხმარება 120 მილივატზე ნაკლები იყო. თავდაპირველად, ისინი შეიქმნა პენტაგონის ბრძანებით და გამიზნული იყო ემსახურება სანავიგაციო სისტემებს, რომლებიც ფუნქციონირებენ GPS სისტემებისგან დამოუკიდებლად, მაგალითად, წყლის ან ხმელეთის სიღრმეში.

უკვე 2013 წლის ბოლოს, ამერიკულმა კომპანია Bathys Hawaii-მ წარმოადგინა პირველი "მაჯის" ატომური საათი. ისინი ძირითად კომპონენტად იყენებენ Symmetricom-ის მიერ წარმოებულ SA.45s ჩიპს. ჩიპის შიგნით არის კაფსულა ცეზიუმ-133-ით. საათის დიზაინში ასევე შედის ფოტოცელი და დაბალი სიმძლავრის ლაზერი. ეს უკანასკნელი უზრუნველყოფს აირისებრი ცეზიუმის გათბობას, რის შედეგადაც მისი ატომები იწყებენ გადასვლას ერთი ენერგეტიკული დონიდან მეორეზე. დროის გაზომვა მხოლოდ ასეთი გადასვლის დაფიქსირებით ხდება. ახალი მოწყობილობის ღირებულება დაახლოებით 12 ათასი დოლარია.

მინიატურიზაციის, ავტონომიისა და სიზუსტისკენ მიმართული ტენდენციები გამოიწვევს იმ ფაქტს, რომ უახლოეს მომავალში იქნება ახალი მოწყობილობები ატომური საათის გამოყენებით ადამიანის ცხოვრების ყველა სფეროში, დაწყებული კოსმოსური კვლევებიდან ორბიტაზე თანამგზავრებსა და სადგურებზე დამთავრებული შიდა და მაჯის სისტემებში.