ისიდორე რაბიმ, კოლუმბიის უნივერსიტეტის ფიზიკის პროფესორმა, შემოგვთავაზა აქამდე ნანახი პროექტი: საათი, რომელიც მუშაობს მაგნიტური რეზონანსის ატომური სხივის პრინციპზე. ეს მოხდა 1945 წელს და უკვე 1949 წელს სტანდარტების ეროვნულმა ბიურომ გამოუშვა პირველი სამუშაო პროტოტიპი. ის კითხულობდა ამიაკის მოლეკულის ვიბრაციას. ცეზიუმი ბიზნესში გაცილებით გვიან შევიდა: NBS-1 მოდელი მხოლოდ 1952 წელს გამოჩნდა.

ინგლისის ეროვნულმა ფიზიკურმა ლაბორატორიამ შექმნა პირველი ცეზიუმის სხივის საათი 1955 წელს. ათ წელზე მეტი ხნის შემდეგ, წონისა და ზომების გენერალური კონფერენციის დროს, წარმოადგინეს უფრო მოწინავე საათი, რომელიც ასევე დაფუძნებულია ცეზიუმის ატომის ვიბრაციაზე. NBS-4 მოდელი გამოიყენებოდა 1990 წლამდე.

საათის ტიპები

ამ დროისთვის არსებობს სამი ტიპის ატომური საათი, რომლებიც დაახლოებით იგივე პრინციპით მუშაობს. ცეზიუმის საათი, ყველაზე ზუსტი, ჰყოფს ცეზიუმის ატომს მაგნიტური ველით. უმარტივესი ატომური საათი, რუბიდიუმის საათი, იყენებს რუბიდიუმის გაზს, რომელიც ჩასმულია მინის ნათურაში. და ბოლოს, წყალბადის ატომური საათები საცნობარო პუნქტად იღებენ წყალბადის ატომებს, რომლებიც დახურულია სპეციალური მასალის გარსში - ეს არ აძლევს ატომებს ენერგიის სწრაფად დაკარგვის საშუალებას.

Რომელი საათია

1999 წელს აშშ-ს სტანდარტებისა და ტექნოლოგიების ეროვნულმა ინსტიტუტმა (NIST) შემოგვთავაზა ატომური საათის კიდევ უფრო მოწინავე ვერსია. NIST-F1 მოდელს აქვს მხოლოდ ერთი წამის შეცდომა ოცი მილიონი წლის განმავლობაში.

ყველაზე ზუსტი

მაგრამ NIST-ის ფიზიკოსები აქ არ გაჩერებულან. მეცნიერებმა გადაწყვიტეს შეექმნათ ახალი ქრონომეტრი, ამჯერად სტრონციუმის ატომებზე დაყრდნობით. ახალი საათი მუშაობს წინა მოდელის 60%-ზე, რაც იმას ნიშნავს, რომ ის წამს კარგავს არა ოცი მილიონი წლის განმავლობაში, არამედ ხუთ მილიარდამდე.

დროის გაზომვა

საერთაშორისო შეთანხმებამ განსაზღვრა ცეზიუმის ნაწილაკების რეზონანსის ერთადერთი ზუსტი სიხშირე. ეს არის 9,192,631,770 ჰერცი - გამომავალი სიგნალის გაყოფა ამ რიცხვზე იძლევა ზუსტად ერთ ციკლს წამში.

ოდესმე შეგიმჩნევიათ, რომ თქვენი საათი სახლში სხვადასხვა დროს აჩვენებს? და როგორ გავიგოთ ყველა ვარიანტიდან რომელია სწორი? ყველა ამ კითხვაზე პასუხს ატომური საათების მუშაობის პრინციპის საფუძვლიანად შესწავლით გავიგებთ.

ატომური საათი: აღწერა და მუშაობის პრინციპი

ჯერ გავიგოთ, რა არის ატომური საათის მექანიზმი. ატომური საათი არის მოწყობილობა, რომელიც ზომავს დროს, მაგრამ ის იყენებს საკუთარ ვიბრაციას, როგორც პროცესის პერიოდულობას და ყველაფერი ხდება ატომურ და მოლეკულურ დონეზე. აქედან გამომდინარეობს სიზუსტე.

თამამად შეიძლება ითქვას, რომ ატომური საათები ყველაზე ზუსტია! სწორედ მათი წყალობით ფუნქციონირებს მსოფლიოში ინტერნეტი და GPS ნავიგაცია, ვიცით მზის სისტემაში პლანეტების ზუსტი მდებარეობა. ამ მოწყობილობის შეცდომა იმდენად მინიმალურია, რომ თამამად შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ისინი მსოფლიო დონისაა! ატომური საათების წყალობით ხდება მთელი მსოფლიო სინქრონიზაცია, ცნობილია სად არის გარკვეული ცვლილებები.

ვინ გამოიგონა, ვინ შექმნა და ასევე ვინ მოიფიქრა ეს სასწაული საათი?

ჯერ კიდევ მეოცე საუკუნის ორმოციანი წლების დასაწყისში ცნობილი იყო მაგნიტური რეზონანსის ატომური სხივის შესახებ. თავიდან მისი გამოყენება საათებს არანაირად არ ეხებოდა - ეს მხოლოდ თეორია იყო. მაგრამ უკვე 1945 წელს ისიდორ რაბიმ შესთავაზა შექმნას მოწყობილობა, რომლის კონცეფცია იყო, რომ ისინი მუშაობდნენ ზემოთ აღწერილი ტექნიკის საფუძველზე. მაგრამ ისინი ისე იყო მოწყობილი, რომ არაზუსტი შედეგები აჩვენეს. და უკვე 1949 წელს სტანდარტების ეროვნულმა ბიურომ მთელ მსოფლიოს აცნობა პირველი ატომური საათის შექმნის შესახებ, რომელიც დაფუძნებული იყო ამიაკის მოლეკულურ ნაერთებზე და უკვე 1952 წელს დაეუფლა ტექნოლოგიებს ცეზიუმის ატომებზე დაფუძნებული პროტოტიპის შესაქმნელად.

ამიაკის და ცეზიუმის ატომების გაგონებისას ჩნდება კითხვა, მაგრამ არის თუ არა ეს მშვენიერი საათები რადიოაქტიური? პასუხი ცალსახაა - არა! მათ არ აქვთ ატომური დაშლა.

დღესდღეობით ბევრი მასალაა, საიდანაც ატომური საათები მზადდება. მაგალითად, ეს არის სილიციუმი, კვარცი, ალუმინი და ვერცხლიც კი.

როგორ მუშაობს მოწყობილობა?

მოდით შევხედოთ როგორ გამოიყურება და მუშაობს ატომური საათები. ამისათვის ჩვენ გთავაზობთ მათი მუშაობის აღწერას:

ამ კონკრეტული საათის სწორი ფუნქციონირებისთვის არ არის საჭირო არც ქანქარა და არც კვარცის ოსცილატორი. ისინი იყენებენ სიგნალებს, რომლებიც წარმოიქმნება ერთი ელექტრონის კვანტური გადასვლის გამო ატომის ორ ენერგეტიკულ დონეს შორის. შედეგად, ჩვენ შეგვიძლია დავაკვირდეთ ელექტრომაგნიტურ ტალღას. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ჩვენ ვიღებთ ხშირ რყევებს და სისტემის სტაბილურობის ულტრა მაღალ დონეს. ყოველწლიურად, ახალი აღმოჩენების გამო, ხდება პროცესების მოდერნიზება. არც ისე დიდი ხნის წინ, ეროვნული ინსტიტუტის fStandardsand Technology (NIST) სპეციალისტები გახდნენ ჩემპიონები, დაამყარეს აბსოლუტური მსოფლიო რეკორდი. მათ შეძლეს ატომური საათის (სტრონციუმზე დაფუძნებული) სიზუსტის მიყვანა ძალიან მინიმალურ გადახრამდე, კერძოდ: 15 მილიარდი წლის განმავლობაში, ერთი წამის გაშვება. დიახ, დიახ, არ მოგეჩვენათ, რომ ეს არის ასაკი, რომელიც ახლა ენიჭება ჩვენს სამყაროს. ეს უზარმაზარი აღმოჩენაა! ყოველივე ამის შემდეგ, სწორედ სტრონციუმმა ითამაშა ყველაზე მნიშვნელოვანი როლი ამ ჩანაწერში. მოძრავი სტრონციუმის ატომები მის სივრცულ გისოსში, რომელიც მეცნიერებმა შექმნეს ლაზერის გამოყენებით, მოქმედებდა როგორც "ტკიპის" ანალოგი. როგორც ყოველთვის მეცნიერებაში, თეორიულად ყველაფერი მომხიბლავი და უკვე გაუმჯობესებული ჩანს, მაგრამ ასეთი სისტემის არასტაბილურობა პრაქტიკაში შეიძლება ნაკლებად სასიხარულო აღმოჩნდეს. მისი არასტაბილურობის გამო ცეზიუმზე დაფუძნებულმა მოწყობილობამ მსოფლიო პოპულარობა მოიპოვა.

ახლა განვიხილოთ რისგან შედგება ასეთი მოწყობილობა. ძირითადი დეტალები აქ არის:

• კვანტური დისკრიმინატორი;
• კვარცის გენერატორი;
• ელექტრონიკა.

კვარცის გენერატორი არის ერთგვარი თვითოსცილატორი, მაგრამ რეზონანსული ელემენტის წარმოებისთვის ის იყენებს კვარცის ბროლის პიეზოელექტრიკულ რეჟიმებს.

კვანტური დისკრიმინატორისა და კვარცის ოსცილატორის არსებობისას, მათი სიხშირის გავლენით, ისინი შედარებულია და როდესაც განსხვავება გამოვლინდება, უკუკავშირის წრე მოითხოვს კრისტალური ოსცილატორის მორგებას საჭირო მნიშვნელობაზე და გაზრდის სტაბილურობას და სიზუსტეს. შედეგად, გამოსავალზე ჩვენ ვხედავთ ზუსტ მნიშვნელობას ციფერბლატზე, რაც ნიშნავს ზუსტ დროს.

ადრინდელი მოდელები საკმაოდ დიდი იყო, მაგრამ 2013 წლის ოქტომბერში BathysHawaii-მა ატყდა მინიატურული ატომური მაჯის საათების გამოშვება. თავიდან ყველამ ეს განცხადება ხუმრობად მიიღო, მაგრამ მალევე გაირკვა, რომ ეს მართლაც ასე იყო და ისინი ფუნქციონირებენ ატომური წყაროს საფუძველს Cesium 133 მოწყობილობის უსაფრთხოება უზრუნველყოფილია იმით, რომ რადიოაქტიური ელემენტი გაზის სახით შეიცავს სპეციალურ კაფსულას.ამ მოწყობილობის ფოტომ მთელ მსოფლიოში გაფანტა.

ატომური საათების თემაში ბევრს აინტერესებს ენერგიის წყაროს საკითხი. ბატარეა არის ლითიუმ-იონური ბატარეა. სამწუხაროდ, ჯერ არ არის ცნობილი რამდენ ხანს გაგრძელდება ასეთი ბატარეა.

BathysHawaii საათები მართლაც პირველი ატომური მაჯის საათები იყო. ადრე უკვე ცნობილი იყო შედარებით პორტატული მოწყობილობის გამოშვების შემთხვევები, მაგრამ, სამწუხაროდ, მას არ გააჩნდა ატომური ენერგიის წყარო, მაგრამ მხოლოდ სინქრონიზებული იყო რეალურ საერთო საათებთან უკაბელო რადიოს საშუალებით. ასევე აღსანიშნავია ასეთი გაჯეტის ღირებულება. სიამოვნება 12 ათას აშშ დოლარად შეფასდა. ცხადი იყო, რომ ასეთი ფასით საათები ფართო პოპულარობას ვერ მოიპოვებდა, მაგრამ კომპანია ამას არ ცდილობდა, რადგან ისინი ძალიან შეზღუდულ პარტიაში გამოუშვეს.

ჩვენ ვიცით რამდენიმე ტიპის ატომური საათი. მათ დიზაინსა და პრინციპებში მნიშვნელოვანი განსხვავებები არ არის, მაგრამ მაინც არის გარკვეული განსხვავებები. ასე რომ, მთავარია ცვლილებებისა და მათი ელემენტების პოვნის საშუალებებში. შეიძლება განვასხვავოთ საათების შემდეგი ტიპები:

1. წყალბადი. მათი არსი მდგომარეობს იმაში, რომ წყალბადის ატომები მხარს უჭერენ ენერგიის სწორ დონეზე, მაგრამ კედლები დამზადებულია სპეციალური მასალისგან. ამის საფუძველზე დავასკვნით, რომ წყალბადის ატომები ძალიან სწრაფად კარგავენ ენერგეტიკულ მდგომარეობას.
2. ცეზიუმი. მათთვის საფუძველია ცეზიუმის სხივები. აღსანიშნავია, რომ ეს საათები ყველაზე ზუსტია.
3. რუბიდიუმი. ისინი ყველაზე მარტივი და ძალიან კომპაქტურია.

როგორც უკვე აღვნიშნეთ, ატომური საათები ძალიან ძვირი გაჯეტია. ამრიგად, ჯიბის საათი Hoptroff No. 10 არის ახალი თაობის სათამაშოების ნათელი წარმომადგენელი. ასეთი ელეგანტური და ძალიან ზუსტი აქსესუარის ფასი 78 ათასი დოლარია. გამოვიდა მხოლოდ 12 ეგზემპლარი. ამ მოწყობილობის მექანიზმში გამოყენებულია მაღალი სიხშირის რხევითი სისტემა, რომელიც ასევე აღჭურვილია GPS სიგნალით.

კომპანია ამით არ გაჩერებულა და სწორედ საათის მეათე ვერსიაში სურს გამოიყენოს მოძრაობის ოქროს კოლოფში მოთავსების მეთოდი, რომელიც დაიბეჭდება პოპულარულ 3D პრინტერზე. ჯერ ზუსტად არ არის დათვლილი, რამდენი ოქრო იქნება გამოყენებული საქმის ასეთი ვერსიისთვის, მაგრამ ამ შედევრის სავარაუდო საცალო ფასი უკვე ცნობილია - ის დაახლოებით 50 ათასი ფუნტი სტერლინგს შეადგენდა. და ეს არ არის საბოლოო ფასი, თუმცა ის ითვალისწინებს კვლევის ყველა მოცულობას, ასევე თავად გაჯეტის სიახლეს და უნიკალურობას.

ისტორიული ფაქტები საათების გამოყენების შესახებ

როგორ, როდესაც ვსაუბრობთ ატომურ საათებზე, რომ აღარაფერი ვთქვათ ყველაზე საინტერესო ფაქტებზე, რომლებიც მათთან და ზოგადად დროსთან არის დაკავშირებული:

1. იცოდით, რომ უძველესი მზის საათი აღმოაჩინეს ძველ ეგვიპტეში?
2. ატომური საათების ცდომილება მინიმალურია - ის მხოლოდ 1 წამია 6 მილიონი წლის განმავლობაში.
3. ყველამ იცის, რომ წუთში 60 წამია. მაგრამ ცოტამ თუ ჩათვალა რამდენი მილიწამია ერთ წამში? და არც ბევრია და არც ცოტა - ათასი!
4. ყველა ტურისტს, რომელსაც შეეძლო ლონდონის მონახულება, აუცილებლად სურდა ბიგ ბენის ნახვა საკუთარი თვალით. მაგრამ სამწუხაროდ, ბევრმა არ იცის, რომ ბიგ ბენი საერთოდ არ არის კოშკი, არამედ უზარმაზარი ზარის სახელი, რომელიც იწონის 13 ტონას და რეკავს კოშკის შიგნით.
5. ოდესმე დაფიქრებულხართ, რატომ მიდის ჩვენი საათის ისრები ზუსტად მარცხნიდან მარჯვნივ, ან როგორ ვამბობდით „საათის ისრის მიმართულებით“? ეს ფაქტი პირდაპირ კავშირშია იმასთან, თუ როგორ მოძრაობს ჩრდილი მზის საათზე.
6. პირველი მაჯის საათი გამოიგონეს ბოლო 1812 წელს. ისინი დაამზადა Breguet-ის დამფუძნებელმა ნეაპოლის დედოფლისთვის.
7. პირველ მსოფლიო ომამდე მაჯის საათები მხოლოდ ქალის აქსესუარად ითვლებოდა, თუმცა მალევე, მოხერხებულობის გამო, მოსახლეობის მამრობითი ნაწილიც აირჩია.

სტატიების არქივი

რომელმა „საათებს“ გამოიგონეს და დაასრულეს ეს უკიდურესად ზუსტი მოძრაობა? არის მისი შემცვლელი? შევეცადოთ გავერკვეთ.

2012 წელს ატომური დროის აღრიცხვა 45 წლის იუბილეს აღნიშნავს. 1967 წელს, ერთეულების საერთაშორისო სისტემაში დროის კატეგორიის დადგენა დაიწყო არა ასტრონომიული მასშტაბებით, არამედ ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტით. უბრალო ხალხში მას ატომურ საათს უწოდებენ.

როგორია ატომური ოსცილატორების მუშაობის პრინციპი? როგორც რეზონანსული სიხშირის წყარო, ეს „მოწყობილობები“ იყენებენ ატომების ან მოლეკულების კვანტურ ენერგეტიკულ დონეებს. კვანტური მექანიკა აკავშირებს რამდენიმე დისკრეტულ ენერგეტიკულ დონეს "ატომის ბირთვი - ელექტრონები" სისტემასთან. გარკვეული სიხშირის ელექტრომაგნიტურ ველს შეუძლია ამ სისტემის გადასვლის პროვოცირება დაბალი დონიდან უფრო მაღალზე. საპირისპირო ფენომენი ასევე შესაძლებელია: ატომს შეუძლია გადავიდეს მაღალი ენერგეტიკული დონიდან ქვედაზე ენერგიის გამოსხივებით. ორივე ფენომენის კონტროლი შესაძლებელია და ამ ენერგეტიკული დონის ნახტომების დაფიქსირება შესაძლებელია, რითაც ქმნის რხევითი წრედის მსგავსებას. ამ წრედის რეზონანსული სიხშირე ტოლი იქნება ენერგიის სხვაობის ორ გარდამავალ დონეს შორის, გაყოფილი პლანკის მუდმივზე.

მიღებულ ატომურ ოსცილატორს უდაო უპირატესობები აქვს მის ასტრონომიულ და მექანიკურ წინამორბედებთან შედარებით. ოსცილატორისთვის არჩეული ნივთიერების ყველა ატომის რეზონანსული სიხშირე იგივე იქნება ქანქარებისგან და პიეზოკრისტალებისგან განსხვავებით. გარდა ამისა, ატომები არ იწურება და დროთა განმავლობაში არ იცვლის თავის თვისებებს. იდეალური ვარიანტი თითქმის მარადიული და უკიდურესად ზუსტი ქრონომეტრისთვის.

პირველად, ატომებში ენერგეტიკული გადასვლების გამოყენების შესაძლებლობა სიხშირის სტანდარტად ჯერ კიდევ 1879 წელს განიხილა ბრიტანელმა ფიზიკოსმა უილიამ ტომსონმა, უფრო ცნობილი როგორც ლორდ კელვინი. მან შესთავაზა წყალბადის გამოყენება რეზონატორის ატომების წყაროდ. თუმცა, მისი კვლევა უფრო თეორიული ხასიათისა იყო. იმდროინდელი მეცნიერება ჯერ კიდევ არ იყო მზად ატომური ქრონომეტრის შესაქმნელად.

ლორდ კელვინის იდეის რეალობად ქცევას თითქმის ასი წელი დასჭირდა. დიდი დრო გავიდა, მაგრამ ამოცანა არც ისე ადვილი იყო. ატომების იდეალურ ქანქარებად გადაქცევა პრაქტიკაში უფრო რთული აღმოჩნდა, ვიდრე თეორიაში. სირთულე იყო ბრძოლაში ეგრეთ წოდებული რეზონანსული სიგანე - ენერგიის შთანთქმის და გამოსხივების სიხშირის მცირე რყევა, როდესაც ატომები მოძრაობენ დონიდან დონეზე. რეზონანსული სიხშირის თანაფარდობა რეზონანსის სიგანესთან განსაზღვრავს ატომური ოსცილატორის ხარისხს. ცხადია, რაც უფრო დიდია რეზონანსული სიგანის მნიშვნელობა, მით უფრო დაბალია ატომური ქანქარის ხარისხი. სამწუხაროდ, ხარისხის გასაუმჯობესებლად რეზონანსული სიხშირის გაზრდა შეუძლებელია. ის მუდმივია თითოეული კონკრეტული ნივთიერების ატომებისთვის. მაგრამ რეზონანსული სიგანე შეიძლება შემცირდეს ატომებზე დაკვირვების დროის გაზრდით.

ტექნიკურად, ამის მიღწევა შესაძლებელია შემდეგნაირად: მოდით, გარე, მაგალითად, კვარცი, ოსცილატორი პერიოდულად წარმოქმნის ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას, რაც აიძულებს დონორის ნივთიერების ატომებს გადახტეს ენერგიის დონეებზე. ამ შემთხვევაში, ატომური ქრონოგრაფის ტიუნერის ამოცანაა ამ კვარცის ოსცილატორის სიხშირის მაქსიმალური მიახლოება ატომების ინტერდონეზე გადასვლის რეზონანსულ სიხშირეზე. ეს შესაძლებელი ხდება ატომების ვიბრაციაზე დაკვირვების საკმარისად ხანგრძლივი პერიოდის და კვარცის სიხშირის რეგულირების უკუკავშირის შექმნის შემთხვევაში.

მართალია, ატომურ ქრონოგრაფში რეზონანსული სიგანის შემცირების პრობლემის გარდა, ბევრი სხვა პრობლემაა. ეს არის დოპლერის ეფექტი - რეზონანსული სიხშირის ცვლა ატომების მოძრაობის გამო და ატომების ურთიერთშეჯახება, რაც იწვევს ენერგიის დაუგეგმავ გადასვლებს და ბნელი მატერიის ყოვლისმომცველი ენერგიის გავლენასაც კი.

პირველად, ატომური საათების პრაქტიკული განხორციელების მცდელობა გასული საუკუნის ოცდაათიან წლებში კოლუმბიის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა მომავალი ნობელის პრემიის დოქტორი ისიდორე რაბის ხელმძღვანელობით გააკეთეს. რაბიმ შესთავაზა გამოიყენოს ცეზიუმის იზოტოპი 133 Cs, როგორც ქანქარის ატომების წყარო. სამწუხაროდ, რაბის მუშაობა, რომელიც დიდად დაინტერესდა NBS-ით, მეორე მსოფლიო ომმა შეწყვიტა.

მისი დასრულების შემდეგ, ჩემპიონატი ატომური ქრონოგრაფის განხორციელებაში გადაეცა NBS-ის თანამშრომელს ჰაროლდ ლიონს. მისი ატომური ოსცილატორი მუშაობდა ამიაკზე და მისცა შეცდომა კვარცის რეზონატორების საუკეთესო მაგალითების შესაბამისი. 1949 წელს ამიაკის ატომური საათები აჩვენეს ფართო საზოგადოებას. მიუხედავად საკმაოდ უღიმღამო სიზუსტისა, მათ განახორციელეს ატომური ქრონოგრაფების მომავალი თაობების ძირითადი პრინციპები.

ლუის ესენის მიერ მოპოვებული ცეზიუმის ატომური საათის პროტოტიპმა უზრუნველყო სიზუსტე 1 * 10 -9, ხოლო რეზონანსული სიგანე მხოლოდ 340 ჰერცი.

ცოტა მოგვიანებით, ჰარვარდის უნივერსიტეტის პროფესორმა ნორმან რემსიმ გააუმჯობესა ისიდორე რაბის იდეები, შეამცირა გავლენა დოპლერის ეფექტის გაზომვების სიზუსტეზე. მან შესთავაზა ერთი გრძელი მაღალი სიხშირის პულსის ნაცვლად, რომელიც ამაღელვებდა ატომებს, გამოეყენებინათ ორი მოკლე ტალღის გზამკვლევი ერთმანეთისგან გარკვეულ მანძილზე. ამან შესაძლებელი გახადა რეზონანსული სიგანის მკვეთრი შემცირება და რეალურად შესაძლებელი გახადა ატომური ოსცილატორების შექმნა, რომლებიც სიზუსტით თავიანთი კვარცის წინაპრებზე უკეთესი სიდიდის ბრძანებით არიან.

გასული საუკუნის ორმოცდაათიან წლებში, ნორმან რამზის მიერ შემოთავაზებული სქემის საფუძველზე, ეროვნულ ფიზიკურ ლაბორატორიაში (დიდი ბრიტანეთი), მისი თანამშრომელი ლუი ესენი მუშაობდა ატომურ ოსცილატორზე, რომელიც დაფუძნებულია რაბის მიერ ადრე შემოთავაზებულ ცეზიუმის იზოტოპზე 133 Cs. ცეზიუმი შემთხვევით არ აირჩიეს.

ცეზიუმ-133 იზოტოპის ატომების ჰიპერწვრილი გარდამავალი დონეების სქემა

ტუტე ლითონების ჯგუფს მიეკუთვნება, ცეზიუმის ატომები ძალზე ადვილად აღელვებს ენერგიის დონეებს შორის გადახტომას. ასე, მაგალითად, სინათლის სხივს ადვილად შეუძლია ცეზიუმის ატომური სტრუქტურიდან ელექტრონების ნაკადი გამოდევნოს. სწორედ ამ თვისებიდან გამომდინარეობს, რომ ცეზიუმი ფართოდ გამოიყენება ფოტოდეტექტორებში.

კლასიკური ცეზიუმის ოსცილატორის მოწყობილობა, რომელიც დაფუძნებულია რამსის ტალღოვანზე

პირველი ოფიციალური ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტი NBS-1

NBS-1-ის შთამომავალმა - NIST-7 ოსცილატორმა გამოიყენა ცეზიუმის ატომების სხივის ლაზერული ტუმბო.

ოთხ წელზე მეტი დასჭირდა, რომ ესენის პროტოტიპი რეალურ სტანდარტად გამხდარიყო. ყოველივე ამის შემდეგ, ატომური საათების ზუსტი დარეგულირება შესაძლებელი იყო მხოლოდ დროის არსებულ ეფემერულ ერთეულებთან შედარებით. ოთხი წლის განმავლობაში ატომური ოსცილატორი კალიბრირებული იყო მთვარის ბრუნვის დაკვირვებით დედამიწის გარშემო ყველაზე ზუსტი მთვარის კამერის გამოყენებით, რომელიც გამოიგონა აშშ-ს საზღვაო ობსერვატორიის უილიამ მარკოვიცმა.

1955 წლიდან 1958 წლამდე ატომური საათების „რეგულირება“ მთვარის ეფემერებზე ხდებოდა, რის შემდეგაც მოწყობილობა ოფიციალურად იქნა აღიარებული NBS-ის მიერ სიხშირის სტანდარტად. უფრო მეტიც, ცეზიუმის ატომური საათების უპრეცედენტო სიზუსტე აიძულა NBS-ს შეეცვალა დროის ერთეული SI სტანდარტში. 1958 წლიდან "გამოსხივების 9,192,631,770 პერიოდის ხანგრძლივობა, რომელიც შეესაბამება ცეზიუმ-133 იზოტოპის ატომის სტანდარტული მდგომარეობის ორ ჰიპერწვრილ დონეს შორის გადასვლას" ოფიციალურად იქნა მიღებული მეორედ.

ლუი ესენის მოწყობილობას ეწოდა NBS-1 და ითვლებოდა ცეზიუმის სიხშირის პირველ სტანდარტად.

მომდევნო ოცდაათი წლის განმავლობაში შემუშავდა NBS-1-ის ექვსი მოდიფიკაცია, რომელთაგან უახლესი, NIST-7, რომელიც შეიქმნა 1993 წელს მაგნიტების ლაზერული ხაფანგებით შეცვლით, უზრუნველყოფს 5 * 10 -15 სიზუსტეს მხოლოდ რეზონანსული სიგანით. სამოცდაორი ჰერცი.

NBS-ის მიერ გამოყენებული ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტების მახასიათებლების შედარების ცხრილი

ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტი	ოპერაციული დრო	ოპერაციული დრო, როგორც ოფიციალური NPFS სტანდარტი	რეზონანსული სიგანე	მიკროტალღური გიდის სიგრძე	შეცდომის მნიშვნელობა
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300 ჰც	55 სმ	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110 ჰც	164 სმ	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48 ჰც	366 სმ	5*10 -13
NBS-4	1965-1990 წწ	არა	130 ჰც	52,4 სმ	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45 ჰც	374 სმ	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 ჰც	374 სმ	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 ჰც	155 სმ	5*10 -15

NBS მოწყობილობები არის სტაციონარული სატესტო სკამი, რაც შესაძლებელს ხდის მათ კლასიფიკაციას უფრო სტანდარტებად, ვიდრე პრაქტიკულად გამოყენებულ ოსცილატორებად. მაგრამ წმინდა პრაქტიკული მიზნებისთვის Hewlett-Packard-ი მუშაობდა ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტის სასარგებლოდ. 1964 წელს მომავალმა კომპიუტერულმა გიგანტმა შექმნა ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტის კომპაქტური ვერსია - HP 5060A მოწყობილობა.

კალიბრირებული NBS სტანდარტების გამოყენებით, HP 5060 სიხშირის სტანდარტები ჯდება ტიპიური რადიო მოწყობილობების თაროში და იყო კომერციული წარმატება. სწორედ Hewlett-Packard-ის მიერ დადგენილი ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტის წყალობით მივიდა ატომური საათების უპრეცედენტო სიზუსტე მასებზე.

Hewlett-Packard 5060A.

შედეგად, შესაძლებელი გახდა ისეთი რამ, როგორიცაა სატელიტური ტელევიზია და კომუნიკაციები, გლობალური სანავიგაციო სისტემები და საინფორმაციო ქსელის დროის სინქრონიზაციის სერვისები. ატომური ქრონოგრაფის ტექნოლოგიის მრავალი გამოყენება იყო ინდუსტრიულ დიზაინში. ამავდროულად, Hewlett-Packard აქ არ გაჩერებულა და მუდმივად აუმჯობესებს ცეზიუმის სტანდარტების ხარისხს და მათ წონასა და ზომას.

Hewlett-Packard ოჯახის ატომური საათები

2005 წელს Hewlett-Packard-ის ატომური საათის განყოფილება გაიყიდა Simmetricom-ს.

ცეზიუმთან ერთად, რომლის მარაგი ბუნებაში ძალზე შეზღუდულია და მასზე მოთხოვნა სხვადასხვა ტექნოლოგიურ დარგში უკიდურესად მაღალია, დონორ ნივთიერებად გამოიყენებოდა რუბიდიუმი, რომელიც თვისებებით ძალიან ჰგავს ცეზიუმს.

როგორც ჩანს, ატომური საათების არსებული სქემა სრულყოფილებამდეა მიყვანილი. იმავდროულად, მას ჰქონდა სამწუხარო ნაკლი, რომლის აღმოფხვრა შესაძლებელი გახდა მეორე თაობის ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტებში, სახელწოდებით ცეზიუმის შადრევნები.

დროის შადრევნები და ოპტიკური მოლისანი

მიუხედავად NIST-7 ატომური ქრონომეტრის უმაღლესი სიზუსტისა, რომელიც იყენებს ცეზიუმის ატომების მდგომარეობის ლაზერულ გამოვლენას, მისი სქემა ძირეულად არ განსხვავდება ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტების პირველი ვერსიების სქემებისგან.

და ყველა ამ სქემის დიზაინის ხარვეზი არის ის, რომ ფუნდამენტურად შეუძლებელია ცეზიუმის ატომების სხივის გავრცელების სიჩქარის კონტროლი ტალღის გამტარში მოძრავი. და ეს იმისდა მიუხედავად, რომ ოთახის ტემპერატურაზე ცეზიუმის ატომების მოძრაობის სიჩქარე წამში ასი მეტრია. საკმაოდ სწრაფად.

სწორედ ამიტომ, ცეზიუმის სტანდარტების ყველა მოდიფიკაცია არის ბალანსის ძიება ტალღის გამტარის ზომას შორის, რომელსაც აქვს დრო, იმოქმედოს ცეზიუმის სწრაფ ატომებზე ორ წერტილში, და ამ ეფექტის შედეგების გამოვლენის სიზუსტეს შორის. რაც უფრო მცირეა ტალღის გამტარი, მით უფრო რთულია ელექტრომაგნიტური იმპულსების შექმნა, რომლებიც გავლენას ახდენენ იმავე ატომებზე.

მაგრამ რა მოხდება, თუ ვიპოვით გზას ცეზიუმის ატომების მოძრაობის სიჩქარის შესამცირებლად? სწორედ ამ იდეას ესწრებოდა მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის სტუდენტი ჯეროლდ ზაქარიუსი, რომელიც სწავლობდა გრავიტაციის გავლენას ატომების ქცევაზე გასული საუკუნის ორმოციანი წლების ბოლოს. მოგვიანებით, ატომიქრონის ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტის ვარიანტის შემუშავებაში მონაწილე ზაქარიუსმა შემოგვთავაზა ცეზიუმის შადრევანის იდეა - მეთოდი ცეზიუმის ატომების სიჩქარის შემცირების ერთ სანტიმეტრამდე წამში და მოშორების ორმკლავიანი ტალღის გამტარი. ტრადიციული ატომური ოსცილატორები.

ზაქარიუსის იდეა მარტივი იყო. რა მოხდება, თუ ოსცილატორის შიგნით ცეზიუმის ატომებს ვერტიკალურად ატარებთ? შემდეგ იგივე ატომები ორჯერ გაივლიან დეტექტორს: პირველად ზევით მოგზაურობისას და მეორედ ქვევით, სადაც ისინი მიიჩქარიან გრავიტაციის გავლენის ქვეშ. ამავდროულად, ატომების ქვევით მოძრაობა ბევრად უფრო ნელი იქნება, ვიდრე მათი აფრენა, რადგან შადრევანში მოგზაურობის დროს ისინი დაკარგავენ ენერგიას. სამწუხაროდ, გასული საუკუნის ორმოცდაათიან წლებში ზაქარიუსმა ვერ გააცნობიერა თავისი იდეები. მის ექსპერიმენტულ მოწყობილობებში, ატომები, რომლებიც მაღლა მოძრაობდნენ, ურთიერთქმედებდნენ დავარდნილ ატომებთან, რამაც შეამცირა გამოვლენის სიზუსტე.

ზაქარიუსის იდეა მხოლოდ ოთხმოციან წლებში დაბრუნდა. სტენფორდის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა, სტივენ ჩუს ხელმძღვანელობით, იპოვეს გზა ზაქარიუსის შადრევანის განხორციელების ტექნიკის გამოყენებით, რომელსაც "ოპტიკურ მელასს" უწოდებენ.

ჩუ ცეზიუმის შადრევანში ცეზიუმის ატომების ღრუბელი, რომელიც ზემოთ არის გასროლილი, წინასწარ გაცივდება სამი წყვილი საპირისპირო მიმართული ლაზერის სისტემით, რომელსაც აქვს რეზონანსული სიხშირე ცეზიუმის ატომების ოპტიკური რეზონანსის ქვემოთ.

ცეზიუმის შადრევანის დიაგრამა ოპტიკური მელასით.

ლაზერით გაცივებული ცეზიუმის ატომები იწყებენ მოძრაობას ნელა, თითქოს მელასში. მათი სიჩქარე წამში სამ მეტრამდე ეცემა. ატომების სიჩქარის შემცირება მკვლევარებს საშუალებას აძლევს უფრო ზუსტად დაადგინონ მდგომარეობა (სათში ასი კილომეტრი სიჩქარით მოძრავი მანქანის ნომრების დანახვა ბევრად უფრო ადვილია).

გაცივებული ცეზიუმის ატომების ბურთი აფრინდება დაახლოებით ერთი მეტრით, გზად გადის ტალღის გამტარს, რომლის მეშვეობითაც ატომებზე მოქმედებს რეზონანსული სიხშირის ელექტრომაგნიტური ველი. და სისტემის დეტექტორი პირველად აფიქსირებს ატომების მდგომარეობის ცვლილებას. "ჭერამდე" მიღწევის შემდეგ, გაცივებული ატომები იწყებენ ვარდნას გრავიტაციის გამო და მეორედ გადიან ტალღის გამტარში. უკანა გზაზე დეტექტორი კვლავ იჭერს მათ მდგომარეობას. ვინაიდან ატომები უკიდურესად ნელა მოძრაობენ, მათი ფრენა საკმაოდ მკვრივი ღრუბლის სახით ადვილი სამართავია, რაც იმას ნიშნავს, რომ შადრევანში არ იქნება ატომები, რომლებიც ერთდროულად დაფრინავენ ზემოთ და ქვემოთ.

ჩუს ცეზიუმის შადრევანი დაყენებული იქნა NBS-ის მიერ, როგორც სიხშირის სტანდარტი 1998 წელს და ეწოდა NIST-F1. მისი შეცდომა იყო 4 * 10 -16, რაც ნიშნავს, რომ NIST-F1 უფრო ზუსტი იყო ვიდრე მისი წინამორბედი NIST-7.

სინამდვილეში, NIST-F1-მა მიაღწია სიზუსტის ზღვარს ცეზიუმის ატომების მდგომარეობის გაზომვისას. მაგრამ მეცნიერები ამ გამარჯვებაზე არ შეჩერებულან. მათ გადაწყვიტეს აღმოფხვრათ ატომური საათების მუშაობაში შეტანილი შეცდომა სრულიად შავი სხეულის გამოსხივებით - ცეზიუმის ატომების ურთიერთქმედების შედეგი იმ ინსტალაციის სხეულის თერმულ გამოსხივებასთან, რომელშიც ისინი მოძრაობენ. ახალ NIST-F2 ატომურ ქრონოგრაფში ცეზიუმის შადრევანი მოთავსდა კრიოგენულ კამერაში, რამაც შავი სხეულის გამოსხივება თითქმის ნულამდე შეამცირა. NIST-F2 ცდომილების ზღვარი არის წარმოუდგენელი 3*10 -17.

ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტების ვარიანტების ცდომილების შემცირების გრაფიკი

ამჟამად, ცეზიუმის შადრევნებზე დაფუძნებული ატომური საათები კაცობრიობას აძლევს დროის ყველაზე ზუსტ სტანდარტს, რომლის მიმართაც ჩვენი ტექნოგენური ცივილიზაციის პულსი სცემს. საინჟინრო ხრიკების წყალობით, იმპულსური წყალბადის მასერები, რომლებიც აცივებენ ცეზიუმის ატომებს NIST-F1 და NIST-F2 სტაციონარული ვერსიებში, შეიცვალა ჩვეულებრივი ლაზერის სხივით, რომელიც დაწყვილებულია მაგნიტო-ოპტიკური სისტემით. ამან შესაძლებელი გახადა NIST-Fx სტანდარტების კომპაქტური და ძალიან მდგრადი ვერსიების შექმნა, რომლებსაც შეუძლიათ კოსმოსურ ხომალდებში მუშაობა. სწორად სახელწოდებით "Aerospace Cold Atom Clock", სიხშირის ეს სტანდარტები დაყენებულია სანავიგაციო სისტემების თანამგზავრებში, როგორიცაა GPS, რომელიც უზრუნველყოფს მათ გასაოცარ სინქრონიზაციას ჩვენს გაჯეტებში გამოყენებული GPS მიმღების კოორდინატების ძალიან ზუსტი გაანგარიშების პრობლემის გადასაჭრელად.

ცეზიუმის შადრევანი ატომური საათის კომპაქტური ვერსია სახელწოდებით "Aerospace Cold Atom Clock" გამოიყენება GPS თანამგზავრებში.

საცნობარო დროის გამოთვლას ასრულებს ათი NIST-F2-ისგან შემდგარი „ანსამბლი“, რომელიც მდებარეობს NBS-თან თანამშრომლობით სხვადასხვა კვლევით ცენტრში. ატომური წამის ზუსტი მნიშვნელობა მიიღება ერთობლივად და ამით აღმოიფხვრება სხვადასხვა შეცდომები და ადამიანური ფაქტორის გავლენა.

თუმცა, შესაძლებელია, რომ ერთ დღეს ცეზიუმის სიხშირის სტანდარტი ჩვენი შთამომავლების მიერ აღიქმებოდეს, როგორც დროის გაზომვის ძალიან უხეში მექანიზმი, ისევე როგორც ჩვენ ახლა გულმოდგინედ ვუყურებთ ქანქარის მოძრაობებს ჩვენი წინაპრების მექანიკურ ბაბუა საათებში.

ატომური საათები დღეს არსებული დროის აღრიცხვის ყველაზე ზუსტი ინსტრუმენტებია და სულ უფრო მნიშვნელოვანი ხდება ტექნოლოგიის წინსვლისა და დახვეწასთან ერთად.

მოქმედების პრინციპი

ატომური საათები ზუსტ დროს ინახავენ არა რადიოაქტიური დაშლის გამო, როგორც ეს მათი სახელიდან ჩანს, არამედ ბირთვებისა და მათ გარშემო არსებული ელექტრონების ვიბრაციების გამოყენებით. მათი სიხშირე განისაზღვრება ბირთვის მასით, გრავიტაციით და ელექტროსტატიკური „ბალანსერით“ დადებითად დამუხტულ ბირთვსა და ელექტრონებს შორის. ის სრულიად არ ემთხვევა ჩვეულებრივ საათს. ატომური საათები უფრო საიმედო დროის მატარებელია, რადგან მათი რყევები არ იცვლება გარემო ფაქტორებით, როგორიცაა ტენიანობა, ტემპერატურა ან წნევა.

ატომური საათების ევოლუცია

წლების განმავლობაში მეცნიერებმა გააცნობიერეს, რომ ატომებს აქვთ რეზონანსული სიხშირეები, რომლებიც დაკავშირებულია თითოეულის უნართან, შთანთქას და გამოასხივოს ელექტრომაგნიტური გამოსხივება. 1930-იან და 1940-იან წლებში შეიქმნა მაღალი სიხშირის საკომუნიკაციო და სარადარო აღჭურვილობა, რომელსაც შეეძლო ურთიერთქმედება ატომებისა და მოლეკულების რეზონანსულ სიხშირეებთან. ამან ხელი შეუწყო საათის იდეას.

პირველი ასლები აშენდა 1949 წელს სტანდარტებისა და ტექნოლოგიების ეროვნული ინსტიტუტის (NIST) მიერ. ვიბრაციის წყაროდ გამოიყენებოდა ამიაკი. თუმცა, ისინი არ იყვნენ ბევრად უფრო ზუსტი ვიდრე არსებული დროის სტანდარტი და ცეზიუმი გამოიყენებოდა მომავალ თაობაში.

ახალი სტანდარტი

დროის სიზუსტის ცვლილება იმდენად დიდი იყო, რომ 1967 წელს წონებისა და ზომების გენერალურმა კონფერენციამ განსაზღვრა SI მეორე, როგორც ცეზიუმის ატომის 9,192,631,770 ვიბრაცია მის რეზონანსულ სიხშირეზე. ეს იმას ნიშნავდა, რომ დრო აღარ იყო დაკავშირებული დედამიწის მოძრაობასთან. მსოფლიოში ყველაზე სტაბილური ატომური საათი შეიქმნა 1968 წელს და გამოიყენებოდა როგორც NIST დროის მითითების სისტემის ნაწილი 1990-იან წლებამდე.

გაუმჯობესების მანქანა

ერთ-ერთი უახლესი მიღწევა ამ სფეროში არის ლაზერული გაგრილება. ამან გააუმჯობესა სიგნალი-ხმაურის თანაფარდობა და შეამცირა გაურკვევლობა საათის სიგნალში. ამ გაგრილების სისტემას და სხვა აღჭურვილობას, რომელიც გამოიყენება ცეზიუმის საათის გასაუმჯობესებლად, მის განსათავსებლად სარკინიგზო ვაგონის ზომის სივრცეს საჭიროებს, თუმცა კომერციული ვარიანტები შეიძლება მოთავსდეს ჩემოდანში. ერთ-ერთი ასეთი ლაბორატორიული ობიექტი ინახავს დროს ბოულდერში, კოლორადოში და არის ყველაზე ზუსტი საათი დედამიწაზე. ისინი ცდებიან მხოლოდ 2 ნანოწამში დღეში, ანუ 1 წამში 1,4 მილიონ წელიწადში.

დახვეწილი ტექნოლოგია

ეს უზარმაზარი სიზუსტე წარმოების რთული პროცესის შედეგია. უპირველეს ყოვლისა, თხევად ცეზიუმს ათავსებენ ღუმელში და აცხელებენ გაზად გადაქცევამდე. ლითონის ატომები დიდი სიჩქარით გამოდიან ღუმელში არსებული პატარა ხვრელიდან. ელექტრომაგნიტები იწვევს მათ ცალკეულ სხივებად დაყოფას სხვადასხვა ენერგიით. საჭირო სხივი გადის U- ფორმის ხვრელში და ატომები ექვემდებარება მიკროტალღურ ენერგიას 9.192.631.770 ჰც სიხშირით. ამის გამო ისინი აღელვებულნი არიან და სხვა ენერგეტიკულ მდგომარეობაში გადადიან. შემდეგ მაგნიტური ველი ფილტრავს ატომების სხვა ენერგეტიკულ მდგომარეობებს.

დეტექტორი პასუხობს ცეზიუმს და აჩვენებს მაქსიმუმს სწორი სიხშირის მნიშვნელობით. ეს აუცილებელია კრისტალური ოსცილატორის დასაყენებლად, რომელიც აკონტროლებს საათის მექანიზმს. მისი სიხშირის 9.192.631.770-ზე გაყოფა იძლევა ერთ პულსს წამში.

არა მარტო ცეზიუმი

მიუხედავად იმისა, რომ ყველაზე გავრცელებული ატომური საათები იყენებენ ცეზიუმის თვისებებს, არსებობს სხვა ტიპებიც. ისინი განსხვავდებიან გამოყენებული ელემენტით და ენერგიის დონის ცვლილების განსაზღვრის საშუალებებით. სხვა მასალებია წყალბადი და რუბიდიუმი. წყალბადის ატომური საათები ფუნქციონირებს ცეზიუმის საათების მსგავსად, მაგრამ საჭიროებს კონტეინერს სპეციალური მასალისგან დამზადებული კედლებით, რომელიც ხელს უშლის ატომებს ენერგიის ძალიან სწრაფად დაკარგვაში. რუბიდიუმის საათები ყველაზე მარტივი და კომპაქტურია. მათში აირისებრი რუბიდიუმით სავსე მინის უჯრედი ცვლის სინათლის შთანთქმას მიკროტალღური სიხშირის ზემოქმედებისას.

ვის სჭირდება ზუსტი დრო?

დღეს დროის უკიდურესი სიზუსტით დათვლა შეიძლება, მაგრამ რატომ არის ეს მნიშვნელოვანი? ეს აუცილებელია ისეთ სისტემებში, როგორიცაა მობილური ტელეფონები, ინტერნეტი, GPS, საავიაციო პროგრამები და ციფრული ტელევიზია. ერთი შეხედვით, ეს არ არის აშკარა.

მაგალითი იმისა, თუ რამდენად ზუსტი დრო გამოიყენება, არის პაკეტის სინქრონიზაცია. ათასობით სატელეფონო ზარი გადის შუა ხაზზე. ეს შესაძლებელია მხოლოდ იმიტომ, რომ საუბარი სრულად არ არის გადაცემული. ტელეკომის კომპანია ყოფს მას მცირე პაკეტებად და გამოტოვებს ზოგიერთ ინფორმაციას. შემდეგ ისინი გადიან ხაზს სხვა საუბრების პაკეტებთან ერთად და აღდგება მეორე ბოლოში შერევის გარეშე. სატელეფონო გაცვლის საათის სისტემას შეუძლია განსაზღვროს, თუ რომელი პაკეტები ეკუთვნის მოცემულ საუბარს ინფორმაციის გაგზავნის ზუსტი დროისთვის.

GPS

ზუსტი დროის კიდევ ერთი განხორციელება არის გლობალური პოზიციონირების სისტემა. იგი შედგება 24 თანამგზავრისგან, რომლებიც გადასცემენ მათ კოორდინატებსა და დროს. ნებისმიერ GPS მიმღებს შეუძლია მათთან დაკავშირება და მაუწყებლობის დროის შედარება. განსხვავება მომხმარებელს საშუალებას აძლევს განსაზღვროს მათი მდებარეობა. ეს საათები რომ არ იყოს ძალიან ზუსტი, მაშინ GPS სისტემა არაპრაქტიკული და არასანდო იქნებოდა.

სრულყოფილების ზღვარი

ტექნოლოგიებისა და ატომური საათების განვითარებასთან ერთად შესამჩნევი გახდა სამყაროს უზუსტობები. დედამიწა არათანაბრად მოძრაობს, რაც იწვევს წლებისა და დღეების ხანგრძლივობის შემთხვევით რყევებს. წარსულში, ეს ცვლილებები შეუმჩნეველი დარჩებოდა, რადგან დროის აღრიცხვის ინსტრუმენტები ძალიან არაზუსტი იყო. თუმცა, მკვლევართა და მეცნიერთა დიდი შეშფოთების გამო, ატომური საათები უნდა იყოს მორგებული რეალურ სამყაროში არსებული ანომალიების კომპენსაციისთვის. ისინი საოცარი ინსტრუმენტებია თანამედროვე ტექნოლოგიების წინსვლისთვის, მაგრამ მათი სრულყოფილება შემოიფარგლება თავად ბუნების მიერ დადგენილი საზღვრებით.

21-ე საუკუნეში სატელიტური ნავიგაცია სწრაფი ტემპით ვითარდება. თქვენ შეგიძლიათ განსაზღვროთ ნებისმიერი ობიექტის პოზიცია, რომელიც როგორღაც დაკავშირებულია თანამგზავრებთან, იქნება ეს მობილური ტელეფონი, მანქანა თუ კოსმოსური ხომალდი. მაგრამ ვერც ერთი ვერ მიიღწევა ატომური საათის გარეშე.
ასევე, ეს საათები გამოიყენება სხვადასხვა ტელეკომუნიკაციებში, მაგალითად, მობილურ კომუნიკაციებში. ეს არის ყველაზე ზუსტი საათი, რომელიც ოდესმე ყოფილა, არის და იქნება.მათ გარეშე ინტერნეტი არ იქნებოდა სინქრონიზებული, არ გვეცოდინებოდა მანძილი სხვა პლანეტებთან და ვარსკვლავებამდე და ა.შ.
საათებში ელექტრომაგნიტური გამოსხივების 9,192,631,770 პერიოდი აღებულია წამში, რაც მოხდა ცეზიუმ-133 ატომის ორ ენერგეტიკულ დონეს შორის გადასვლისას. ასეთ საათებს ცეზიუმის საათებს უწოდებენ. მაგრამ ეს არის მხოლოდ ერთი სამი ტიპის ატომური საათი. ასევე არის წყალბადის და რუბიდიუმის საათები. თუმცა, ცეზიუმის საათებს ყველაზე ხშირად იყენებენ, ამიტომ სხვა ტიპებზე აღარ შევჩერდებით.

როგორ მუშაობს ცეზიუმის ატომური საათი

ლაზერი აცხელებს ცეზიუმის იზოტოპის ატომებს და ამ დროს, ჩაშენებული რეზონატორი აღრიცხავს ატომების ყველა გადასვლას. და, როგორც უკვე აღვნიშნეთ, 9,192,631,770 გადასვლის მიღწევის შემდეგ, ითვლება ერთი წამი.

საათის კორპუსში ჩაშენებული ლაზერი აცხელებს ცეზიუმის იზოტოპის ატომებს. ამ დროს რეზონატორი აღრიცხავს ატომების გადასვლის რაოდენობას ახალ ენერგეტიკულ დონეზე. როდესაც მიიღწევა გარკვეული სიხშირე, კერძოდ, 9,192,631,770 გადასვლები (Hz), მაშინ ითვლება წამი, საერთაშორისო SI სისტემის საფუძველზე.

გამოიყენეთ სატელიტური ნავიგაციაში

თანამგზავრის გამოყენებით ობიექტის ზუსტი ადგილმდებარეობის დადგენის პროცესი ძალიან რთულია. ამაში ჩართულია რამდენიმე თანამგზავრი, კერძოდ, 4-ზე მეტი ერთ მიმღებზე (მაგალითად, GPS ნავიგატორი მანქანაში).

თითოეულ თანამგზავრს აქვს მაღალი სიზუსტის ატომური საათი, სატელიტური რადიო გადამცემი და ციფრული კოდის გენერატორი. რადიო გადამცემი აგზავნის ციფრულ კოდს და ინფორმაციას თანამგზავრის შესახებ დედამიწაზე, კერძოდ ორბიტის პარამეტრებს, მოდელს და ა.შ.

საათი განსაზღვრავს, რამდენი დრო სჭირდება ამ კოდის მიმღებამდე მისვლას. ამრიგად, რადიოტალღების გავრცელების სიჩქარის ცოდნით, გამოითვლება მანძილი დედამიწაზე მიმღებამდე. მაგრამ ერთი თანამგზავრი ამისთვის საკმარისი არ არის. თანამედროვე GPS მიმღებებს შეუძლიათ სიგნალების მიღება ერთდროულად 12 თანამგზავრიდან, რაც საშუალებას გაძლევთ განსაზღვროთ ობიექტის მდებარეობა 4 მეტრამდე სიზუსტით. სხვათა შორის, აღსანიშნავია, რომ GPS ნავიგატორები არ საჭიროებენ სააბონენტო გადასახადს.