Isidore Rabi, professor de física da Universidade de Columbia, propôs um projeto nunca antes visto: um relógio que funciona com base no princípio de um feixe atômico de ressonância magnética. Isso aconteceu em 1945, e já em 1949 o National Bureau of Standards lançou o primeiro protótipo funcional. Leu as vibrações da molécula de amônia. O césio entrou no negócio muito mais tarde: o modelo NBS-1 apareceu apenas em 1952.

O National Physical Laboratory na Inglaterra criou o primeiro relógio de feixe de césio em 1955. Mais de dez anos depois, durante a Conferência Geral de Pesos e Medidas, foi apresentado um relógio mais avançado, também baseado em vibrações no átomo de césio. O modelo NBS-4 foi usado até 1990.

Tipos de relógio

No momento, existem três tipos de relógios atômicos que operam aproximadamente no mesmo princípio. O relógio de césio, o mais preciso, separa o átomo de césio com um campo magnético. O relógio atômico mais simples, o relógio de rubídio, usa o gás rubídio dentro de um bulbo de vidro. E, finalmente, os relógios atômicos de hidrogênio usam átomos de hidrogênio fechados em uma concha de um material especial como ponto de referência - isso não permite que os átomos percam energia rapidamente.

Que horas são

Em 1999, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST) propôs uma versão ainda mais avançada do relógio atômico. O modelo NIST-F1 tem um erro de apenas um segundo em vinte milhões de anos.

Mais preciso

Mas os físicos do NIST não pararam por aí. Os cientistas decidiram desenvolver um novo cronômetro, desta vez baseado em átomos de estrôncio. O novo relógio funciona com 60% do modelo anterior, o que significa que perde um segundo não em vinte milhões de anos, mas em até cinco bilhões.

Medição de tempo

Um acordo internacional determinou a única frequência exata para a ressonância de uma partícula de césio. Isso é 9.192.631.770 hertz - dividindo o sinal de saída por esse número dá exatamente um ciclo por segundo.

Você já reparou que seu relógio em casa mostra horários diferentes? E como entender qual de todas as opções está correta? Aprenderemos as respostas para todas essas perguntas estudando minuciosamente o princípio de operação dos relógios atômicos.

Relógio atômico: descrição e princípio de operação

Vamos primeiro entender qual é o mecanismo de um relógio atômico. Um relógio atômico é um aparelho que mede o tempo, mas usa suas próprias vibrações como a periodicidade do processo, e tudo acontece no nível atômico e molecular. Daí a precisão.

É seguro dizer que os relógios atômicos são os mais precisos! É graças a eles que a Internet e a navegação GPS funcionam no mundo, sabemos a localização exata dos planetas no sistema solar. O erro deste dispositivo é tão mínimo que podemos dizer com confiança que eles são de classe mundial! Graças aos relógios atômicos, ocorre toda a sincronização do mundo, sabe-se onde estão localizadas certas mudanças.

Quem inventou, quem criou e também quem inventou este relógio milagroso?

No início dos anos quarenta do século XX, era conhecido o feixe atômico de ressonância magnética. A princípio, sua aplicação não dizia respeito a relógios de forma alguma - era apenas uma teoria. Mas já em 1945, Isidor Rabi propôs a criação de um dispositivo, cujo conceito era que eles funcionassem com base na técnica acima. Mas eles foram organizados de tal maneira que mostraram resultados imprecisos. E já em 1949, o National Bureau of Standards informou o mundo inteiro sobre a criação do primeiro relógio atômico, baseado em compostos moleculares de amônia, e já em 1952, as tecnologias foram dominadas para criar um protótipo baseado em átomos de césio.

Ao ouvir sobre os átomos de amônia e césio, surge a pergunta, mas esses relógios maravilhosos são radioativos? A resposta é inequívoca - não! Não apresentam decaimento atômico.

Hoje em dia, existem muitos materiais dos quais os relógios atômicos são feitos. Por exemplo, é silício, quartzo, alumínio e até prata.

Como o aparelho funciona?

Vamos dar uma olhada em como os relógios movidos a energia nuclear parecem e funcionam. Para isso, oferecemos uma descrição de seu trabalho:

Para o correto funcionamento deste relógio em particular, não é necessário um pêndulo, nem um oscilador de quartzo. Eles usam sinais que surgem devido à transição quântica de um elétron entre dois níveis de energia de um átomo. Como resultado, somos capazes de observar uma onda eletromagnética. Em outras palavras, temos flutuações frequentes e um nível ultra-alto de estabilidade do sistema. Todos os anos, devido a novas descobertas, os processos são modernizados. Não faz muito tempo, os especialistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) se tornaram campeões, estabelecendo um recorde mundial absoluto. Eles foram capazes de trazer a precisão do relógio atômico (baseado em estrôncio) para o desvio mínimo, a saber: por 15 bilhões de anos, um segundo é executado. Sim, sim, não lhe pareceu que esta é a idade que agora está sendo atribuída ao nosso Universo. Esta é uma grande descoberta! Afinal, foi o estrôncio que desempenhou o papel mais importante neste disco. Os átomos móveis de estrôncio em sua rede espacial, que os cientistas criaram usando um laser, atuaram como um análogo do “tique-taque”. Como sempre na ciência, na teoria tudo parece encantador e já melhorado, mas a instabilidade de tal sistema pode se tornar menos alegre na prática. É por causa de sua instabilidade que o dispositivo à base de césio ganhou popularidade mundial.

Agora considere em que consiste tal dispositivo. Os principais detalhes aqui são:

• discriminador quântico;
• gerador de quartzo;
• eletrônicos.

Um oscilador de quartzo é uma espécie de auto-oscilador, mas para produzir um elemento ressonante, ele usa modos piezoelétricos de um cristal de quartzo.

Tendo um discriminador quântico e um oscilador de quartzo, sob a influência de sua frequência, eles são comparados e, quando uma diferença é detectada, o circuito de realimentação exige que o oscilador de cristal se ajuste ao valor necessário e aumente a estabilidade e a precisão. Como resultado, na saída vemos o valor exato no mostrador, o que significa a hora exata.

Os primeiros modelos eram bem grandes, mas em outubro de 2013, a BathysHawaii fez barulho com o lançamento de relógios de pulso atômicos em miniatura. No início, todos tomaram essa afirmação como uma piada, mas logo descobriu-se que era realmente verdade, e eles funcionam no base da fonte atômica Césio 133 A segurança do dispositivo é garantida pelo fato de que o elemento radioativo está contido na forma de um gás em uma cápsula especial. Uma foto deste dispositivo se espalhou pelo mundo.

Muitos no tópico de relógios atômicos estão interessados ​​na questão de uma fonte de energia. A bateria é uma bateria de iões de lítio. Mas, infelizmente, ainda não se sabe quanto tempo essa bateria durará.

Os relógios BathysHawaii foram realmente os primeiros relógios de pulso atômicos. Anteriormente, já eram conhecidos casos de lançamento de um dispositivo relativamente portátil, mas, infelizmente, ele não possuía uma fonte de energia atômica, mas apenas sincronizado com relógios globais reais via rádio sem fio. Também vale a pena mencionar o custo de tal gadget. O prazer foi estimado em 12 mil dólares americanos. Ficou claro que, com esse preço, os relógios não ganhariam grande popularidade, mas a empresa não se esforçou para isso, porque os lançou em um lote muito limitado.

Conhecemos vários tipos de relógios atômicos. Não há diferenças significativas em seu design e princípios, mas ainda existem algumas diferenças. Assim, os principais estão nos meios de encontrar mudanças e seus elementos. Os seguintes tipos de relógios podem ser distinguidos:

1. Hidrogênio. Sua essência reside no fato de que os átomos de hidrogênio são suportados no nível certo de energia, mas as paredes são feitas de um material especial. Com base nisso, concluímos que são os átomos de hidrogênio que perdem muito rapidamente seu estado de energia.
2. césio. A base para eles são feixes de césio. Vale a pena notar que esses relógios são os mais precisos.
3. Rubídio. Eles são os mais simples e muito compactos.

Como mencionado anteriormente, os relógios atômicos são um gadget muito caro. Assim, o relógio de bolso Hoptroff No. 10 é um brilhante representante de uma nova geração de brinquedos. O preço de um acessório tão elegante e muito preciso é de 78 mil dólares. Apenas 12 cópias foram lançadas. O mecanismo deste dispositivo usa um sistema oscilatório de alta frequência, que também é equipado com um sinal de GPS.

A empresa não parou por aí e é na sua décima versão do relógio que pretende aplicar o método de colocação do mecanismo numa caixa dourada, que será impressa numa popular impressora 3D. Ainda não foi calculado exatamente quanto ouro será usado para esta versão do estojo, mas o preço estimado de varejo desta obra-prima já é conhecido - totalizou cerca de 50 mil libras esterlinas. E este não é o preço final, embora leve em consideração todos os volumes de pesquisa, bem como a novidade e a singularidade do próprio gadget.

Fatos históricos sobre o uso de relógios

Como, quando se fala em relógios atômicos, sem falar nos fatos mais interessantes que estão associados a eles e ao tempo em geral:

1. Você sabia que o relógio de sol mais antigo foi encontrado no antigo Egito?
2. O erro dos relógios atômicos é mínimo - é apenas 1 segundo por 6 milhões de anos.
3. Todo mundo sabe que há 60 segundos em um minuto. Mas poucas pessoas mergulharam em quantos milissegundos existem em um segundo? E eles não são muitos e não poucos - mil!
4. Todo turista que pudesse visitar Londres certamente gostaria de ver o Big Ben com seus próprios olhos. Mas, infelizmente, poucas pessoas sabem que o Big Ben não é uma torre, mas o nome de um enorme sino que pesa 13 toneladas e toca dentro da torre.
5. Você já se perguntou por que os ponteiros de nossos relógios vão exatamente da esquerda para a direita, ou como costumávamos dizer “sentido horário”? Este fato está diretamente relacionado à forma como a sombra se move no relógio de sol.
6. O primeiro relógio de pulso foi inventado no recente 1812. Eles foram feitos pelo fundador de Breguet para a Rainha de Nápoles.
7. Antes da Primeira Guerra Mundial, os relógios de pulso eram considerados apenas um acessório feminino, mas logo, por sua conveniência, passaram a ser escolhidos também pela parcela masculina da população.

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Que "relojoeiros" inventaram e aperfeiçoaram esse movimento extremamente preciso? Existe um substituto para ele? Vamos tentar descobrir.

Em 2012, a cronometragem atômica celebrará seu 45º aniversário. Em 1967, a categoria de tempo no Sistema Internacional de Unidades começou a ser determinada não por escalas astronômicas, mas pelo padrão de frequência do césio. É em pessoas comuns que eles chamam de relógio atômico.

Qual é o princípio de funcionamento dos osciladores atômicos? Como fonte de frequência ressonante, esses "dispositivos" usam os níveis de energia quântica de átomos ou moléculas. A mecânica quântica conecta vários níveis discretos de energia com o sistema "núcleo atômico - elétrons". Um campo eletromagnético de uma certa frequência pode provocar a transição deste sistema de um nível baixo para um mais alto. O fenômeno inverso também é possível: um átomo pode passar de um nível de alta energia para um mais baixo com a emissão de energia. Ambos os fenômenos podem ser controlados e esses saltos entre níveis de energia podem ser corrigidos, criando assim uma aparência de um circuito oscilatório. A frequência de ressonância deste circuito será igual à diferença de energia entre os dois níveis de transição, dividida pela constante de Planck.

O oscilador atômico resultante tem vantagens inegáveis ​​sobre seus predecessores astronômicos e mecânicos. A frequência de ressonância de todos os átomos da substância escolhida para o oscilador será a mesma, ao contrário de pêndulos e piezocristais. Além disso, os átomos não se desgastam e não alteram suas propriedades ao longo do tempo. Uma opção ideal para um cronômetro quase eterno e extremamente preciso.

Pela primeira vez, a possibilidade de usar transições de energia entre níveis em átomos como um padrão de frequência foi considerada em 1879 pelo físico britânico William Thomson, mais conhecido como Lord Kelvin. Ele propôs o uso de hidrogênio como fonte de átomos ressonadores. No entanto, sua pesquisa foi mais teórica por natureza. A ciência da época ainda não estava pronta para desenvolver um cronômetro atômico.

Levou quase cem anos para a ideia de Lord Kelvin se tornar realidade. Foi muito tempo, mas a tarefa também não foi fácil. Transformar átomos em pêndulos ideais provou ser mais difícil na prática do que na teoria. A dificuldade estava na batalha com a chamada largura ressonante - uma pequena flutuação na frequência de absorção e emissão de energia à medida que os átomos se movem de nível para nível. A razão entre a frequência ressonante e a largura ressonante determina a qualidade do oscilador atômico. Obviamente, quanto maior o valor da largura ressonante, menor a qualidade do pêndulo atômico. Infelizmente, não é possível aumentar a frequência de ressonância para melhorar a qualidade. É constante para os átomos de cada substância em particular. Mas a largura ressonante pode ser reduzida aumentando o tempo de observação dos átomos.

Tecnicamente, isso pode ser alcançado da seguinte forma: deixe um oscilador externo, por exemplo, quartzo, gerar periodicamente radiação eletromagnética, forçando os átomos da substância doadora a saltar sobre os níveis de energia. Nesse caso, a tarefa do sintonizador do cronógrafo atômico é a máxima aproximação da frequência desse oscilador de quartzo à frequência ressonante da transição internível dos átomos. Isso se torna possível no caso de um período suficientemente longo de observação das oscilações dos átomos e a criação de um feedback que regula a frequência do quartzo.

É verdade que além do problema de reduzir a largura de ressonância em um cronógrafo atômico, existem muitos outros problemas. Este é o efeito Doppler - uma mudança na frequência de ressonância devido ao movimento dos átomos e colisões mútuas de átomos, causando transições de energia não planejadas e até mesmo a influência da energia que permeia tudo da matéria escura.

Pela primeira vez, uma tentativa de implementação prática de relógios atômicos foi feita na década de trinta do século passado por cientistas da Universidade de Columbia sob a orientação do futuro Prêmio Nobel Dr. Isidore Rabi. Rabi propôs usar o isótopo de césio 133 Cs como fonte de átomos de pêndulo. Infelizmente, o trabalho de Rabi, que muito interessou a NBS, foi interrompido pela Segunda Guerra Mundial.

Após sua conclusão, o campeonato na implementação do cronógrafo atômico passou para o funcionário da NBS Harold Lyons. Seu oscilador atômico trabalhou com amônia e deu um erro compatível com os melhores exemplos de ressonadores de quartzo. Em 1949, os relógios atômicos de amônia foram demonstrados ao público em geral. Apesar da precisão bastante medíocre, eles implementaram os princípios básicos das futuras gerações de cronógrafos atômicos.

O protótipo do relógio atômico de césio obtido por Louis Essen forneceu uma precisão de 1 * 10 -9, tendo uma largura de ressonância de apenas 340 Hertz.

Um pouco mais tarde, o professor da Universidade de Harvard, Norman Ramsey, aprimorou as ideias de Isidore Rabi, reduzindo o impacto na precisão das medidas do efeito Doppler. Ele propôs, em vez de um pulso longo de alta frequência excitando os átomos, usar dois pulsos curtos enviados para os braços do guia de ondas a alguma distância um do outro. Isso possibilitou reduzir drasticamente a largura ressonante e, na verdade, possibilitou a criação de osciladores atômicos que são uma ordem de magnitude melhor do que seus ancestrais de quartzo em precisão.

Nos anos cinquenta do século passado, baseado no esquema proposto por Norman Ramsey, no National Physical Laboratory (Grã-Bretanha), seu funcionário Louis Essen trabalhou em um oscilador atômico baseado no isótopo de césio 133 Cs proposto anteriormente por Rabi. O césio não foi escolhido por acaso.

Esquema de níveis de transição hiperfina de átomos do isótopo de césio-133

Pertencente ao grupo de metais alcalinos, os átomos de césio são extremamente facilmente excitados para saltar entre os níveis de energia. Assim, por exemplo, um feixe de luz é facilmente capaz de eliminar um fluxo de elétrons da estrutura atômica do césio. É devido a esta propriedade que o césio é amplamente utilizado em fotodetectores.

O dispositivo de um oscilador de césio clássico baseado no guia de ondas Ramsey

Primeiro padrão oficial de frequência de césio NBS-1

Um descendente do NBS-1 - o oscilador NIST-7 usou o bombeamento a laser de um feixe de átomos de césio

Demorou mais de quatro anos para que o protótipo de Essen se tornasse um verdadeiro padrão. Afinal, o ajuste fino dos relógios atômicos só era possível por comparação com as unidades de tempo efemérides existentes. Durante quatro anos, o oscilador atômico foi calibrado observando a rotação da Lua ao redor da Terra usando a câmera lunar mais precisa inventada por William Markowitz do Observatório Naval dos EUA.

O "ajuste" dos relógios atômicos às efemérides lunares foi realizado de 1955 a 1958, após o que o dispositivo foi oficialmente reconhecido pela NBS como um padrão de frequência. Além disso, a precisão sem precedentes dos relógios atômicos de césio levou a NBS a mudar a unidade de tempo no padrão SI. Desde 1958, "a duração de 9.192.631.770 períodos de radiação correspondente à transição entre dois níveis hiperfinos do estado padrão do átomo isótopo de césio-133" foi oficialmente adotada como um segundo.

O dispositivo de Louis Essen foi nomeado NBS-1 e foi considerado o primeiro padrão de frequência de césio.

Nos trinta anos seguintes, seis modificações do NBS-1 foram desenvolvidas, a última das quais, NIST-7, criada em 1993 substituindo ímãs por armadilhas de laser, fornece uma precisão de 5 * 10 -15 com uma largura ressonante de apenas sessenta e dois Hertz.

Tabela de comparação de características dos padrões de frequência de césio usados ​​pela NBS

Padrão de frequência de césio	Tempo operacional	Tempo de operação como um padrão NPFS oficial	Largura Ressonante	Comprimento da guia de microondas	Valor do erro
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300Hz	55 cm	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110Hz	164 centímetros	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48Hz	366 centímetros	5*10 -13
NBS-4	1965-1990	Não	130Hz	52,4 centímetros	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45Hz	374 centímetros	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26Hz	374 centímetros	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62Hz	155 centímetros	5*10 -15

Os dispositivos NBS são bancadas de teste estacionárias, o que permite classificá-los mais como padrões do que como osciladores de uso prático. Mas para fins puramente práticos, a Hewlett-Packard trabalhou em benefício do padrão de frequência de césio. Em 1964, o futuro gigante dos computadores criou uma versão compacta do padrão de frequência de césio - o dispositivo HP 5060A.

Calibrados usando padrões NBS, os padrões de frequência HP 5060 se encaixam em um rack de equipamento de rádio típico e foram um sucesso comercial. Foi graças ao padrão de frequência de césio estabelecido pela Hewlett-Packard que a precisão sem precedentes dos relógios atômicos chegou às massas.

Hewlett-Packard 5060A.

Como resultado, coisas como televisão e comunicações por satélite, sistemas de navegação global e serviços de sincronização de tempo de rede de informações tornaram-se possíveis. Houve muitas aplicações da tecnologia do cronógrafo atômico trazida para um design industrial. Ao mesmo tempo, a Hewlett-Packard não parou por aí e melhorou constantemente a qualidade dos padrões de césio e seus indicadores de peso e tamanho.

Família Hewlett-Packard de relógios atômicos

Em 2005, a divisão de relógio atômico da Hewlett-Packard foi vendida para a Simmetricom.

Junto com o césio, cujas reservas na natureza são muito limitadas, e a demanda por ele em vários campos tecnológicos é extremamente alta, o rubídio, que tem propriedades muito próximas ao césio em propriedades, foi usado como substância doadora.

Parece que o esquema existente de relógios atômicos foi levado à perfeição. Enquanto isso, tinha um inconveniente infeliz, cuja eliminação se tornou possível na segunda geração de padrões de frequência de césio, chamados fontes de césio.

Fontes do tempo e melaço óptico

Apesar da maior precisão do cronômetro atômico NIST-7, que usa a detecção a laser do estado dos átomos de césio, seu esquema não difere fundamentalmente dos esquemas das primeiras versões dos padrões de frequência de césio.

Uma falha de projeto de todos esses esquemas é que é fundamentalmente impossível controlar a velocidade de propagação de um feixe de átomos de césio movendo-se em um guia de ondas. E isso apesar do fato de que a velocidade de movimento dos átomos de césio à temperatura ambiente é de cem metros por segundo. Bem rápido.

É por isso que todas as modificações dos padrões de césio são uma busca de equilíbrio entre o tamanho do guia de ondas, que tem tempo para atuar nos átomos de césio rápidos em dois pontos, e a precisão de detectar os resultados desse efeito. Quanto menor o guia de ondas, mais difícil é fazer pulsos eletromagnéticos sucessivos afetando os mesmos átomos.

Mas e se encontrarmos uma maneira de reduzir a velocidade de movimento dos átomos de césio? Foi exatamente essa ideia que atendeu um estudante do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, Jerrold Zacharius, que estudou a influência da gravidade no comportamento dos átomos no final dos anos quarenta do século passado. Mais tarde, envolvido no desenvolvimento de uma variante do padrão de frequência de césio Atomichron, Zacharius propôs a ideia de uma fonte de césio - um método para reduzir a velocidade dos átomos de césio para um centímetro por segundo e se livrar do guia de ondas de dois braços dos osciladores atômicos tradicionais.

A ideia de Zacharius era simples. E se você executar átomos de césio dentro do oscilador verticalmente? Em seguida, os mesmos átomos passarão pelo detector duas vezes: a primeira vez ao subir e a segunda vez para baixo, onde correrão sob a influência da gravidade. Ao mesmo tempo, o movimento descendente dos átomos será muito mais lento do que sua decolagem, pois durante a jornada na fonte eles perderão energia. Infelizmente, nos anos cinquenta do século passado, Zacharius não conseguiu realizar suas idéias. Em suas configurações experimentais, os átomos subindo interagiram com aqueles caindo, o que reduziu a precisão da detecção.

A ideia de Zacharius voltou apenas nos anos oitenta. Cientistas da Universidade de Stanford, liderados por Steven Chu, descobriram uma maneira de implementar a Fonte Zacharius usando uma técnica que eles chamam de "melaço óptico".

Na fonte de césio Chu, uma nuvem de átomos de césio disparada para cima é pré-resfriada por um sistema de três pares de lasers de direção oposta com uma frequência ressonante logo abaixo da ressonância óptica dos átomos de césio.

Diagrama de uma fonte de césio com melaço óptico.

Resfriados por lasers, os átomos de césio começam a se mover lentamente, como se fossem melaço. Sua velocidade cai para três metros por segundo. Reduzir a velocidade dos átomos dá aos pesquisadores a oportunidade de detectar com mais precisão o estado (é muito mais fácil ver os números de um carro se movendo a uma velocidade de um quilômetro por hora do que um carro se movendo a uma velocidade de cem quilômetros por hora).

Uma bola de átomos de césio resfriados é lançada a cerca de um metro, passando um guia de ondas ao longo do caminho, através do qual um campo eletromagnético de frequência ressonante atua sobre os átomos. E o detector do sistema captura pela primeira vez a mudança no estado dos átomos. Tendo atingido o "teto", os átomos resfriados começam a cair devido à gravidade e passam pelo guia de ondas uma segunda vez. No caminho de volta, o detector captura novamente seu estado. Como os átomos se movem extremamente lentamente, seu vôo na forma de uma nuvem bastante densa é fácil de controlar, o que significa que não haverá átomos voando para cima e para baixo ao mesmo tempo na fonte.

A configuração da fonte de césio de Chu foi adotada pela NBS como padrão de frequência em 1998 e denominada NIST-F1. Seu erro foi 4 * 10 -16, o que significa que o NIST-F1 foi mais preciso que seu predecessor NIST-7.

De fato, o NIST-F1 atingiu o limite de precisão na medição do estado dos átomos de césio. Mas os cientistas não pararam nessa vitória. Eles decidiram eliminar o erro introduzido no trabalho dos relógios atômicos pela radiação de um corpo completamente negro - resultado da interação dos átomos de césio com a radiação térmica do corpo da instalação em que se movem. No novo cronógrafo atômico NIST-F2, uma fonte de césio foi colocada em uma câmara criogênica, reduzindo a radiação do corpo negro a quase zero. A margem de erro do NIST-F2 é de incríveis 3*10 -17.

Gráfico da redução de erros de variantes de padrões de frequência de césio

Atualmente, os relógios atômicos baseados em fontes de césio dão à humanidade o padrão de tempo mais preciso, em relação ao qual bate o pulso de nossa civilização tecnogênica. Graças a truques de engenharia, os masers de hidrogênio pulsados ​​que resfriam os átomos de césio nas versões estacionárias do NIST-F1 e NIST-F2 foram substituídos por um feixe de laser convencional emparelhado com um sistema magneto-óptico. Isso possibilitou a criação de versões compactas e muito resistentes dos padrões NIST-Fx, capazes de trabalhar em espaçonaves. Apropriadamente chamado de "Aerospace Cold Atom Clock", esses padrões de frequência são definidos nos satélites de sistemas de navegação como o GPS, o que lhes proporciona uma sincronização incrível para resolver o problema de cálculo muito preciso das coordenadas dos receptores GPS usados ​​em nossos gadgets.

Uma versão compacta do relógio atômico da fonte de césio chamado "Aerospace Cold Atom Clock" é usado em satélites GPS.

O cálculo do tempo de referência é realizado por um "conjunto" de dez NIST-F2s localizados em vários centros de pesquisa que colaboram com o NBS. O valor exato do segundo atômico é obtido coletivamente e, assim, vários erros e a influência do fator humano são eliminados.

No entanto, é possível que um dia o padrão de frequência do césio seja percebido por nossos descendentes como um mecanismo muito grosseiro para medir o tempo, assim como agora olhamos condescendentemente para os movimentos do pêndulo nos relógios mecânicos de nossos ancestrais.

Os relógios atômicos são os instrumentos de cronometragem mais precisos que existem hoje e estão se tornando cada vez mais importantes à medida que a tecnologia moderna avança e se torna mais sofisticada.

Princípio da Operação

Os relógios atômicos mantêm a hora exata não devido ao decaimento radioativo, como seu nome pode parecer, mas usando as vibrações dos núcleos e dos elétrons que os cercam. Sua frequência é determinada pela massa do núcleo, gravidade e o "balanceador" eletrostático entre o núcleo carregado positivamente e os elétrons. Não combina muito com o mecanismo de relógio usual. Os relógios atômicos são cronometristas mais confiáveis ​​porque suas flutuações não mudam com fatores ambientais como umidade, temperatura ou pressão.

A evolução dos relógios atômicos

Ao longo dos anos, os cientistas perceberam que os átomos têm frequências ressonantes associadas à capacidade de cada um de absorver e emitir radiação eletromagnética. Nas décadas de 1930 e 1940, foram desenvolvidos equipamentos de comunicação e radar de alta frequência que podiam interagir com as frequências de ressonância de átomos e moléculas. Isso contribuiu para a ideia do relógio.

As primeiras cópias foram construídas em 1949 pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST). A amônia foi usada como fonte de vibração. No entanto, eles não eram muito mais precisos do que o padrão de tempo existente, e o césio foi usado na próxima geração.

novo padrão

A mudança na precisão do tempo foi tão grande que em 1967 a Conferência Geral de Pesos e Medidas definiu o segundo SI como 9.192.631.770 vibrações de um átomo de césio em sua frequência de ressonância. Isso significava que o tempo não estava mais relacionado ao movimento da Terra. O relógio atômico mais estável do mundo foi criado em 1968 e foi usado como parte do sistema de referência de tempo do NIST até a década de 1990.

Carro de melhoria

Um dos avanços mais recentes nesta área é o resfriamento a laser. Isso melhorou a relação sinal-ruído e reduziu a incerteza no sinal de clock. Esse sistema de resfriamento e outros equipamentos usados ​​para melhorar o relógio de césio exigiriam espaço do tamanho de um vagão de trem para acomodá-lo, embora opções comerciais possam caber em uma mala. Uma dessas instalações de laboratório marca o tempo em Boulder, Colorado, e é o relógio mais preciso da Terra. Eles estão errados apenas por 2 nanossegundos por dia, ou 1 s em 1,4 milhão de anos.

Tecnologia sofisticada

Esta tremenda precisão é o resultado de um processo de fabricação complexo. Em primeiro lugar, o césio líquido é colocado em um forno e aquecido até se transformar em gás. Os átomos de metal saem em alta velocidade através de um pequeno orifício no forno. Os eletroímãs fazem com que eles se separem em feixes separados com energias diferentes. O feixe necessário passa pelo orifício em forma de U e os átomos são expostos à energia de micro-ondas a uma frequência de 9.192.631.770 Hz. Devido a isso, eles são excitados e passam para um estado de energia diferente. O campo magnético então filtra os outros estados de energia dos átomos.

O detector responde ao césio e mostra um máximo no valor de frequência correto. Isso é necessário para configurar o oscilador de cristal que controla o mecanismo de clock. Dividindo sua frequência por 9.192.631.770 dá um pulso por segundo.

Não só césio

Embora os relógios atômicos mais comuns usem as propriedades do césio, existem outros tipos também. Eles diferem no elemento aplicado e nos meios de determinar a mudança no nível de energia. Outros materiais são hidrogênio e rubídio. Os relógios atômicos de hidrogênio funcionam como relógios de césio, mas exigem um recipiente com paredes feitas de um material especial que evita que os átomos percam energia muito rapidamente. Os relógios de rubídio são os mais simples e compactos. Neles, uma célula de vidro preenchida com rubídio gasoso altera a absorção de luz quando exposta à frequência de micro-ondas.

Quem precisa de tempo preciso?

Hoje, o tempo pode ser contado com extrema precisão, mas por que isso é importante? Isso é necessário em sistemas como telefones celulares, Internet, GPS, programas de aviação e televisão digital. À primeira vista, isso não é óbvio.

Um exemplo de como o tempo preciso é usado é a sincronização de pacotes. Milhares de telefonemas passam pela linha do meio. Isso só é possível porque a conversa não é transmitida completamente. A empresa de telecomunicações o divide em pequenos pacotes e até pula algumas informações. Em seguida, eles passam pela linha junto com pacotes de outras conversas e são restaurados na outra ponta sem se misturar. O sistema de relógio da central telefônica pode determinar quais pacotes pertencem a uma determinada conversa pelo horário exato em que a informação foi enviada.

GPS

Outra implementação do tempo preciso é o sistema de posicionamento global. É composto por 24 satélites que transmitem suas coordenadas e hora. Qualquer receptor GPS pode se conectar a eles e comparar os tempos de transmissão. A diferença permite ao usuário determinar sua localização. Se esses relógios não fossem muito precisos, o sistema GPS seria impraticável e não confiável.

O limite da perfeição

Com o desenvolvimento da tecnologia e dos relógios atômicos, as imprecisões do universo tornaram-se perceptíveis. A Terra se move de forma desigual, o que leva a flutuações aleatórias na duração dos anos e dias. No passado, essas mudanças teriam passado despercebidas porque as ferramentas de cronometragem eram muito imprecisas. No entanto, para desgosto de pesquisadores e cientistas, os relógios atômicos precisam ser ajustados para compensar as anomalias do mundo real. São ferramentas incríveis para o avanço da tecnologia moderna, mas sua perfeição é limitada pelos limites estabelecidos pela própria natureza.

No século 21, a navegação por satélite está se desenvolvendo em um ritmo acelerado. Você pode determinar a posição de qualquer objeto que esteja de alguma forma conectado a satélites, seja um telefone celular, um carro ou uma espaçonave. Mas nada disso poderia ter sido alcançado sem relógios atômicos.
Além disso, esses relógios são usados ​​em várias telecomunicações, por exemplo, em comunicações móveis. Este é o relógio mais preciso que já foi, é e será. Sem eles, a Internet não seria sincronizada, não saberíamos a distância de outros planetas e estrelas, etc.
Em horas, 9.192.631.770 períodos de radiação eletromagnética são tomados por segundo, o que ocorreu durante a transição entre dois níveis de energia do átomo de césio-133. Esses relógios são chamados de relógios de césio. Mas este é apenas um dos três tipos de relógios atômicos. Há também relógios de hidrogênio e rubídio. No entanto, os relógios de césio são usados ​​com mais frequência, portanto, não nos deteremos em outros tipos.

Como funciona um relógio atômico de césio

O laser aquece os átomos do isótopo de césio e neste momento, o ressonador embutido registra todas as transições dos átomos. E, como mencionado anteriormente, após atingir 9.192.631.770 transições, um segundo é contado.

Um laser embutido na caixa do relógio aquece os átomos do isótopo de césio. Neste momento, o ressonador registra o número de transições de átomos para um novo nível de energia. Quando uma determinada frequência é atingida, ou seja, 9.192.631.770 transições (Hz), então um segundo é contado, com base no sistema internacional SI.

Uso na navegação por satélite

O processo de determinar a localização exata de um objeto usando um satélite é muito difícil. Vários satélites estão envolvidos nisso, ou seja, mais de 4 por receptor (por exemplo, um navegador GPS em um carro).

Cada satélite possui um relógio atômico de alta precisão, um transmissor de rádio via satélite e um gerador de código digital. O transmissor de rádio envia um código digital e informações sobre o satélite para a Terra, nomeadamente parâmetros de órbita, modelo, etc.

O relógio determina quanto tempo leva para esse código chegar ao receptor. Assim, conhecendo a velocidade de propagação das ondas de rádio, calcula-se a distância até o receptor na Terra. Mas um satélite não é suficiente para isso. Os receptores GPS modernos podem receber sinais de 12 satélites simultaneamente, o que permite determinar a localização de um objeto com precisão de até 4 metros. A propósito, vale a pena notar que os navegadores GPS não exigem taxa de assinatura.