Isidore Rabi, profesor de fizică la Universitatea Columbia, a propus un proiect nemaivăzut până acum: un ceas care funcționează pe principiul unui fascicul atomic de rezonanță magnetică. Acest lucru s-a întâmplat în 1945 și deja în 1949 Biroul Național de Standarde a lansat primul prototip funcțional. Citea vibrațiile moleculei de amoniac. Cesiu a intrat în afaceri mult mai târziu: modelul NBS-1 a apărut abia în 1952.

Laboratorul Național de Fizică din Anglia a creat primul ceas cu fascicul de cesiu în 1955. Peste zece ani mai târziu, în cadrul Conferinței Generale a Greutăților și Măsurilor, a fost prezentat un ceas mai avansat, bazat tot pe vibrațiile atomului de cesiu. Modelul NBS-4 a fost folosit până în 1990.

Tipuri de ceasuri

În prezent, există trei tipuri de ceasuri atomice care funcționează aproximativ pe același principiu. Ceasul de cesiu, cel mai precis, separă atomul de cesiu cu un câmp magnetic. Cel mai simplu ceas atomic, ceasul cu rubidiu, folosește gaz rubidiu închis într-un bec de sticlă. Și, în cele din urmă, ceasurile atomice cu hidrogen iau atomii de hidrogen închiși într-un înveliș dintr-un material special ca punct de referință - nu le permite atomilor să piardă rapid energie.

Cat e ceasul acum

În 1999, Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA (NIST) a propus o versiune și mai avansată a ceasului atomic. Modelul NIST-F1 are o eroare de doar o secundă în douăzeci de milioane de ani.

Cel mai precis

Dar fizicienii NIST nu s-au oprit aici. Oamenii de știință au decis să dezvolte un nou cronometru, de data aceasta bazat pe atomi de stronțiu. Noul ceas rulează pe 60% din modelul anterior, ceea ce înseamnă că pierde o secundă nu în douăzeci de milioane de ani, ci în cinci miliarde.

Măsurarea timpului

Un acord internațional a determinat singura frecvență exactă pentru rezonanța unei particule de cesiu. Acesta este 9.192.631.770 hertzi - împărțirea semnalului de ieșire la acest număr dă exact un ciclu pe secundă.

Ai observat vreodată că ceasul tău de acasă arată ore diferite? Și cum să înțelegeți care dintre toate opțiunile este corectă? Vom afla răspunsurile la toate aceste întrebări studiind amănunțit principiul de funcționare al ceasurilor atomice.

Ceasul atomic: descriere și principiu de funcționare

Să înțelegem mai întâi care este mecanismul unui ceas atomic. Un ceas atomic este un dispozitiv care măsoară timpul, dar își folosește propriile vibrații ca periodicitate a procesului și totul se întâmplă la nivel atomic și molecular. De aici acuratețea.

Este sigur să spunem că ceasurile atomice sunt cele mai precise! Datorită lor, internetul și navigația GPS funcționează în lume, știm locația exactă a planetelor din sistemul solar. Eroarea acestui dispozitiv este atât de minimă încât putem spune cu încredere că sunt de clasă mondială! Datorită ceasurilor atomice, are loc întreaga sincronizare a lumii, se știe unde se află anumite schimbări.

Cine a inventat, cine a creat și cine a venit cu acest ceas minune?

La începutul anilor patruzeci ai secolului al XX-lea, se știa despre fasciculul atomic de rezonanță magnetică. La început, aplicarea sa nu se referea în niciun fel la ceasuri - era doar o teorie. Dar deja în 1945, Isidor Rabi a propus să creeze un dispozitiv, al cărui concept era că funcționează pe baza tehnicii de mai sus. Dar au fost aranjate în așa fel încât au arătat rezultate inexacte. Și deja în 1949, Biroul Național de Standarde a informat întreaga lume despre crearea primului ceas atomic, care se baza pe compuși moleculari ai amoniacului, iar deja în 1952, tehnologiile au fost stăpânite pentru a crea un prototip bazat pe atomi de cesiu.

Auzind despre atomii de amoniac și cesiu, se pune întrebarea, dar sunt aceste minunate ceasuri radioactive? Răspunsul este fără echivoc - nu! Nu au dezintegrare atomică.

În zilele noastre, există multe materiale din care sunt fabricate ceasurile atomice. De exemplu, este siliciu, cuarț, aluminiu și chiar argint.

Cum funcționează dispozitivul?

Să aruncăm o privire la modul în care arată și funcționează ceasurile cu energie nucleară. Pentru a face acest lucru, oferim o descriere a muncii lor:

Pentru funcționarea corectă a acestui ceas anume, nu este nevoie de un pendul și nici de un oscilator de cuarț. Ei folosesc semnale care apar din cauza tranziției cuantice a unui electron între două niveluri de energie ale unui atom. Drept urmare, putem observa o undă electromagnetică. Cu alte cuvinte, obținem fluctuații frecvente și un nivel ultra-înalt de stabilitate a sistemului. În fiecare an, datorită noilor descoperiri, procesele sunt modernizate. Nu cu mult timp în urmă, specialiștii The National Institute fStandardsand Technology (NIST) au devenit campioni, stabilind un record mondial absolut. Ei au reușit să aducă precizia ceasului atomic (bazat pe stronțiu) la abaterea minimă, și anume: timp de 15 miliarde de ani, o secundă rulează. Da, da, nu ți s-a părut, tocmai această vârstă este acum atribuită Universului nostru împreună cu tine. Aceasta este o descoperire uriașă! La urma urmei, stronțiul a fost cel mai important rol în acest record. Atomii în mișcare de stronțiu din rețeaua sa spațială, pe care oamenii de știință i-au creat folosind un laser, au acționat ca un analog al „ticului”. Ca întotdeauna în știință, în teorie totul pare încântător și deja îmbunătățit, dar instabilitatea unui astfel de sistem se poate dovedi a fi mai puțin fericită în practică. Din cauza instabilității sale, dispozitivul pe bază de cesiu a câștigat popularitate în întreaga lume.

Acum luați în considerare în ce constă un astfel de dispozitiv. Principalele detalii aici sunt:

• discriminator cuantic;
• generator de cuarț;
• Electronică.

Un generator de cuarț este un fel de auto-oscilator, dar pentru a produce un element rezonant, folosește moduri piezoelectrice ale unui cristal de cuarț.

Având un discriminator cuantic și un oscilator cu cuarț, sub influența frecvenței lor, acestea sunt comparate, iar atunci când este detectată o diferență, circuitul de feedback necesită ca oscilatorul cu cristal să se ajusteze la valoarea necesară și să crească stabilitatea și precizia. Drept urmare, la ieșire vedem valoarea exactă pe cadran, ceea ce înseamnă ora exactă.

Modelele timpurii au fost destul de mari, dar în octombrie 2013, BathysHawaii a făcut furori odată cu lansarea ceasurilor de mână atomice în miniatură. La început, toată lumea a luat această afirmație ca pe o glumă, dar în curând s-a dovedit că este cu adevărat adevărat și funcționează pe baza sursei atomice Cesiu 133 Siguranța dispozitivului este asigurată de faptul că elementul radioactiv este conținut sub formă de gaz într-o capsulă specială.O fotografie a acestui dispozitiv s-a împrăștiat în întreaga lume.

Mulți din subiectul ceasurilor atomice sunt interesați de problema unei surse de energie. Bateria este o baterie litiu-ion. Dar, din păcate, încă nu se știe cât va dura o astfel de baterie.

Ceasurile BathysHawaii au fost cu adevărat primele ceasuri de mână atomice. Anterior, erau deja cunoscute cazuri de lansare a unui dispozitiv relativ portabil, dar, din păcate, acesta nu avea o sursă de energie atomică, ci doar sincronizat cu ceasuri generale reale prin radio wireless. De menționat și costul unui astfel de gadget. Plăcerea a fost estimată la 12 mii de dolari SUA. Era clar că, cu un astfel de preț, ceasurile nu vor câștiga o mare popularitate, dar compania nu s-a străduit pentru acest lucru, deoarece le-a lansat într-un lot foarte limitat.

Cunoaștem mai multe tipuri de ceasuri atomice. Nu există diferențe semnificative în designul și principiile lor, dar există încă unele diferențe. Deci, principalele sunt în mijloacele de găsire a schimbărilor și elementele acestora. Se pot distinge următoarele tipuri de ceasuri:

1. Hidrogen. Esența lor constă în faptul că atomii de hidrogen sunt susținuți la nivelul corect de energie, dar pereții sunt realizați dintr-un material special. Pe baza acestui fapt, ajungem la concluzia că atomii de hidrogen își pierd foarte repede starea energetică.
2. cesiu. Baza lor sunt fasciculele de cesiu. Este de remarcat faptul că aceste ceasuri sunt cele mai precise.
3. Rubidiu. Sunt cele mai simple și foarte compacte.

După cum am menționat mai devreme, ceasurile atomice sunt un gadget foarte scump. Astfel, ceasul de buzunar Hoptroff No. 10 este un reprezentant strălucitor al unei noi generații de jucării. Prețul unui accesoriu atât de elegant și foarte precis este de 78 de mii de dolari. Au fost lansate doar 12 exemplare. Mecanismul acestui dispozitiv folosește un sistem oscilator de înaltă frecvență, care este echipat și cu un semnal GPS.

Compania nu s-a oprit aici și tocmai la cea de-a zecea versiune a ceasului vrea să aplice metoda de plasare a mecanismului într-o carcasă de aur, care va fi imprimată pe o imprimantă 3D populară. Nu s-a calculat încă exact cât aur va fi folosit pentru o astfel de versiune a cazului, dar prețul estimat de vânzare cu amănuntul al acestei capodopere este deja cunoscut - s-a ridicat la aproximativ 50 de mii de lire sterline. Și acesta nu este prețul final, deși ține cont de toate volumele de cercetare, precum și de noutatea și unicitatea gadgetului în sine.

Fapte istorice despre utilizarea ceasurilor

Cum, când vorbim despre ceasurile atomice, ca să nu mai vorbim despre cele mai interesante fapte care sunt asociate cu acestea și cu timpul în general:

1. Știați că cel mai vechi cadran solar a fost găsit în Egiptul antic?
2. Eroarea ceasurilor atomice este minimă - este de doar 1 secundă timp de 6 milioane de ani.
3. Toată lumea știe că într-un minut sunt 60 de secunde. Dar puțini oameni au studiat câte milisecunde sunt într-o secundă? Și nu sunt mulți și nici puțini - o mie!
4. Fiecare turist care a reușit să viziteze Londra și-a dorit cu siguranță să vadă Big Ben cu propriii ochi. Dar, din păcate, nu mulți oameni știu că Big Ben nu este deloc un turn, ci numele unui clopot uriaș care cântărește 13 tone și sună în interiorul turnului.
5. Te-ai întrebat vreodată de ce acționările ceasurilor noastre merg exact de la stânga la dreapta sau cum spuneam „în sensul acelor de ceasornic”? Acest fapt este direct legat de modul în care umbra se mișcă pe cadranul solar.
6. Primul ceas de mână a fost inventat recent în 1812. Au fost făcute de fondatorul Breguet pentru regina Napoli.
7. Înainte de Primul Război Mondial, ceasurile de mână erau considerate doar un accesoriu pentru femei, dar în curând, datorită confortului lor, au fost alese și de partea masculină a populației.

Arhiva Articole

Ce „ceasornicari” au inventat si perfectionat aceasta miscare extrem de precisa? Există un înlocuitor pentru el? Să încercăm să ne dăm seama.

În 2012, cronometrarea atomică va sărbători cea de-a 45-a aniversare. În 1967, categoria de timp din Sistemul Internațional de Unități a început să fie determinată nu de scale astronomice, ci de standardul de frecvență de cesiu. Oamenii obișnuiți îl numesc ceas atomic.

Care este principiul de funcționare al oscilatorilor atomici? Ca sursă de frecvență de rezonanță, aceste „dispozitive” folosesc nivelurile de energie cuantică ale atomilor sau moleculelor. Mecanica cuantică conectează mai multe niveluri de energie discrete cu sistemul „nucleu atomic – electroni”. Un câmp electromagnetic de o anumită frecvență poate provoca trecerea acestui sistem de la un nivel scăzut la unul superior. Este posibil și fenomenul invers: un atom se poate trece de la un nivel de energie înalt la unul mai scăzut cu emisia de energie. Ambele fenomene pot fi controlate și aceste salturi de energie între niveluri pot fi fixate, creând astfel o aparență de circuit oscilator. Frecvența de rezonanță a acestui circuit va fi egală cu diferența de energie dintre cele două niveluri de tranziție, împărțită la constanta lui Planck.

Oscilatorul atomic rezultat are avantaje incontestabile față de predecesorii săi astronomici și mecanici. Frecvența de rezonanță a tuturor atomilor substanței alese pentru oscilator va fi aceeași, spre deosebire de pendule și piezocristale. În plus, atomii nu se uzează și nu își schimbă proprietățile în timp. O optiune ideala pentru un cronometru aproape etern si extrem de precis.

Pentru prima dată, posibilitatea utilizării tranzițiilor energetice internivelare în atomi ca standard de frecvență a fost luată în considerare încă din 1879 de către fizicianul britanic William Thomson, mai cunoscut sub numele de Lord Kelvin. El a propus utilizarea hidrogenului ca sursă de atomi rezonatori. Cu toate acestea, cercetarea lui a fost de natură mai teoretică. Știința de atunci nu era încă pregătită să dezvolte un cronometru atomic.

A fost nevoie de aproape o sută de ani pentru ca ideea lordului Kelvin să devină realitate. A fost mult timp, dar nici sarcina nu a fost ușoară. Transformarea atomilor în pendule ideale s-a dovedit mai dificilă în practică decât în ​​teorie. Dificultatea a fost în lupta cu așa-numita lățime de rezonanță - o mică fluctuație a frecvenței de absorbție și emisie de energie pe măsură ce atomii se deplasează de la un nivel la altul. Raportul dintre frecvența de rezonanță și lățimea de rezonanță determină calitatea oscilatorului atomic. Evident, cu cât valoarea lățimii de rezonanță este mai mare, cu atât calitatea pendulului atomic este mai scăzută. Din păcate, nu este posibilă creșterea frecvenței de rezonanță pentru a îmbunătăți calitatea. Este constantă pentru atomii fiecărei substanțe particulare. Dar lățimea de rezonanță poate fi redusă prin creșterea timpului de observare pentru atomi.

Din punct de vedere tehnic, acest lucru se poate realiza astfel: lăsați un oscilator extern, de exemplu, cuarț, să genereze periodic radiații electromagnetice, forțând atomii substanței donatoare să sară peste nivelurile de energie. În acest caz, sarcina tunerului cronografului atomic este aproximarea maximă a frecvenței acestui oscilator cu cuarț la frecvența de rezonanță a tranziției între niveluri a atomilor. Acest lucru devine posibil în cazul unei perioade suficient de lungi de observare a oscilațiilor atomilor și a creării unui feedback care reglează frecvența cuarțului.

Adevărat, pe lângă problema reducerii lățimii de rezonanță într-un cronograf atomic, există multe alte probleme. Acesta este efectul Doppler - o schimbare a frecvenței de rezonanță din cauza mișcării atomilor și a ciocnirilor reciproce ale atomilor, care provoacă tranziții energetice neplanificate și chiar influența energiei atotpenetrante a materiei întunecate.

Pentru prima dată, o încercare de implementare practică a ceasurilor atomice a fost făcută în anii treizeci ai secolului trecut de oamenii de știință de la Universitatea Columbia, sub îndrumarea viitorului laureat al Nobel, dr. Isidore Rabi. Rabi a propus să folosească izotopul de cesiu 133 Cs ca sursă de atomi de pendul. Din păcate, munca lui Rabi, care a interesat foarte mult BNS, a fost întreruptă de cel de-al Doilea Război Mondial.

După finalizarea acestuia, campionatul în implementarea cronografului atomic a trecut angajatului BNS Harold Lyons. Oscilatorul său atomic a funcționat pe amoniac și a dat o eroare proporțională cu cele mai bune exemple de rezonatoare de cuarț. În 1949, ceasurile atomice cu amoniac au fost demonstrate publicului larg. În ciuda acurateței destul de mediocre, au implementat principiile de bază ale generațiilor viitoare de cronografe atomice.

Prototipul ceasului atomic cu cesiu obținut de Louis Essen a oferit o precizie de 1 * 10 -9, având în același timp o lățime de rezonanță de doar 340 Herți.

Puțin mai târziu, profesorul de la Universitatea Harvard Norman Ramsey a îmbunătățit ideile lui Isidore Rabi, reducând impactul asupra acurateței măsurătorilor efectului Doppler. El a propus, în loc de un impuls lung de înaltă frecvență care excită atomii, să se folosească două scurte trimise la brațele ghidului de undă la o anumită distanță unul de celălalt. Acest lucru a făcut posibilă reducerea drastică a lățimii de rezonanță și, de fapt, a făcut posibilă crearea de oscilatoare atomice cu o precizie cu un ordin de mărime mai bune decât strămoșii lor de cuarț.

În anii cincizeci ai secolului trecut, pe baza schemei propuse de Norman Ramsey, la National Physical Laboratory (Marea Britanie), angajatul său Louis Essen a lucrat la un oscilator atomic bazat pe izotopul de cesiu 133 Cs propus mai devreme de Rabi. Cesiul nu a fost ales întâmplător.

Schema nivelurilor de tranziție hiperfine ale atomilor izotopului cesiu-133

Aparținând grupului de metale alcaline, atomii de cesiu sunt extrem de ușor excitați să sară între niveluri de energie. Deci, de exemplu, un fascicul de lumină este ușor capabil să elimine un flux de electroni din structura atomică a cesiului. Datorită acestei proprietăți, cesiul este utilizat pe scară largă în fotodetectoare.

Dispozitivul unui oscilator clasic cu cesiu bazat pe ghidul de undă Ramsey

Primul standard oficial de frecvență cesiu NBS-1

Un descendent al NBS-1 - oscilatorul NIST-7 a folosit pomparea cu laser a unui fascicul de atomi de cesiu

Au fost nevoie de mai mult de patru ani pentru ca prototipul lui Essen să devină un adevărat standard. La urma urmei, reglarea fină a ceasurilor atomice a fost posibilă doar prin comparație cu unitățile de timp efemeride existente. Timp de patru ani, oscilatorul atomic a fost calibrat prin observarea rotației Lunii în jurul Pământului folosind cea mai precisă cameră lunară inventată de William Markowitz de la Observatorul Naval al SUA.

„Ajustarea” ceasurilor atomice la efemeridele lunare a fost efectuată între 1955 și 1958, după care dispozitivul a fost recunoscut oficial de NBS ca standard de frecvență. Mai mult, acuratețea fără precedent a ceasurilor atomice cu cesiu a determinat NBS să schimbe unitatea de timp în standardul SI. Din 1958, „durata a 9.192.631.770 de perioade de radiație corespunzătoare tranziției între două niveluri hiperfine ale stării standard a atomului izotop de cesiu-133” a fost adoptată oficial ca secundă.

Dispozitivul lui Louis Essen a fost numit NBS-1 și a fost considerat primul standard de frecvență de cesiu.

În următorii treizeci de ani, au fost dezvoltate șase modificări ale NBS-1, cea mai recentă dintre acestea, NIST-7, creată în 1993 prin înlocuirea magneților cu capcane laser, oferă o precizie de 5 * 10 -15 cu o lățime de rezonanță de numai şaizeci şi doi de Herţi.

Tabel de comparație a caracteristicilor standardelor de frecvență de cesiu utilizate de BNS

Standard de frecvență de cesiu	Timp de funcționare	Timp de funcționare ca standard oficial NPFS	Lățimea de rezonanță	Lungimea ghidajului cuptorului cu microunde	Valoarea erorii
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300 Hz	55 cm	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110 Hz	164 cm	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48 Hz	366 cm	5*10 -13
NBS-4	1965-1990	Nu	130 Hz	52,4 cm	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45 Hz	374 cm	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 Hz	374 cm	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 Hz	155 cm	5*10 -15

Dispozitivele NBS sunt bancuri de testare staționare, ceea ce face posibilă clasificarea lor mai mult ca standarde decât ca oscilatoare utilizate practic. Dar în scopuri pur practice, Hewlett-Packard a lucrat în beneficiul standardului de frecvență de cesiu. În 1964, viitorul gigant al computerelor a creat o versiune compactă a standardului de frecvență de cesiu - dispozitivul HP 5060A.

Calibrate folosind standardele NBS, standardele de frecvență HP 5060 se potrivesc într-un rack obișnuit pentru echipamente radio și au fost un succes comercial. Datorită standardului de frecvență de cesiu stabilit de Hewlett-Packard, precizia fără precedent a ceasurilor atomice a ajuns la mase.

Hewlett-Packard 5060A.

Ca rezultat, lucruri precum televiziunea prin satelit și comunicațiile, sistemele globale de navigație și serviciile de sincronizare a timpului în rețeaua de informații au devenit posibile. Au fost multe aplicații ale tehnologiei cronografului atomic aduse unui design industrial. În același timp, Hewlett-Packard nu s-a oprit aici și a îmbunătățit constant calitatea standardelor de cesiu și indicatorii lor de greutate și dimensiune.

Familia Hewlett-Packard de ceasuri atomice

În 2005, divizia de ceas atomic a Hewlett-Packard a fost vândută către Simmetricom.

Alături de cesiu, ale cărui rezerve în natură sunt foarte limitate, iar cererea pentru acesta în diverse domenii tehnologice este extrem de mare, rubidiul, care este foarte apropiat de cesiu în proprietăți, a fost folosit ca substanță donor.

S-ar părea că schema existentă a ceasurilor atomice a fost adusă la perfecțiune. Între timp, avea un dezavantaj nefericit, a cărui eliminare a devenit posibilă în a doua generație de standarde de frecvență de cesiu, numite fântâni cu cesiu.

Fântânile timpului și melasă optică

În ciuda celei mai înalte acuratețe a cronometrului atomic NIST-7, care utilizează detectarea cu laser a stării atomilor de cesiu, schema sa nu diferă fundamental de schemele primelor versiuni ale standardelor de frecvență de cesiu.

Și defectul de proiectare al tuturor acestor scheme este că este fundamental imposibil să controlezi viteza de propagare a unui fascicul de atomi de cesiu care se mișcă într-un ghid de undă. Și asta în ciuda faptului că viteza de mișcare a atomilor de cesiu la temperatura camerei este de o sută de metri pe secundă. Destul de repede.

De aceea, toate modificările standardelor de cesiu sunt o căutare a unui echilibru între dimensiunea ghidului de undă, care are timp să acționeze asupra atomilor rapizi de cesiu în două puncte, și acuratețea detectării rezultatelor acestui efect. Cu cât ghidul de undă este mai mic, cu atât este mai dificil să faci impulsuri electromagnetice succesive care afectează aceiași atomi.

Dar dacă găsim o modalitate de a reduce viteza de mișcare a atomilor de cesiu? Tocmai la această idee s-a ocupat un student de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, Jerrold Zacharius, care a studiat influența gravitației asupra comportamentului atomilor la sfârșitul anilor patruzeci ai secolului trecut. Mai târziu, implicat în dezvoltarea unei variante a standardului de frecvență de cesiu Atomichron, Zacharius a propus ideea unei fântâni de cesiu - o metodă de a reduce viteza atomilor de cesiu la un centimetru pe secundă și de a scăpa de ghidul de undă cu două brațe. a oscilatoarelor atomice tradiţionale.

Ideea lui Zacharius era simplă. Ce se întâmplă dacă rulați atomi de cesiu în interiorul oscilatorului vertical? Apoi aceiași atomi vor trece prin detector de două ori: prima dată când călătoresc în sus și a doua oară în jos, unde se vor repezi sub influența gravitației. În același timp, mișcarea în jos a atomilor va fi mult mai lentă decât decolarea lor, deoarece în timpul călătoriei în fântână ei vor pierde energie. Din păcate, în anii cincizeci ai secolului trecut, Zaharie nu și-a putut realiza ideile. În configurațiile sale experimentale, atomii care se mișcau în sus au interacționat cu cei care cădeau, ceea ce a redus precizia detectării.

Ideea lui Zacharius a revenit abia în anii optzeci. Oamenii de știință de la Universitatea Stanford, conduși de Steven Chu, au găsit o modalitate de a implementa Fântâna Zacharius folosind o tehnică pe care o numesc „melasă optică”.

În fântâna de cesiu Chu, un nor de atomi de cesiu împușcați în sus este pre-răcit de un sistem de trei perechi de lasere direcționate opus, având o frecvență de rezonanță chiar sub rezonanța optică a atomilor de cesiu.

Diagrama unei fântâni cu cesiu cu melasă optică.

Răciți de lasere, atomii de cesiu încep să se miște încet, ca prin melasă. Viteza lor scade la trei metri pe secundă. Reducerea vitezei atomilor le oferă cercetătorilor posibilitatea de a detecta cu mai multă acuratețe starea (este mult mai ușor să vezi numerele unei mașini care se deplasează cu o viteză de un kilometru pe oră decât o mașină care se deplasează cu o viteză de o sută de kilometri pe oră).

O minge de atomi de cesiu răciți este lansată în sus la aproximativ un metru, trecând pe parcurs un ghid de undă, prin care un câmp electromagnetic de frecvență de rezonanță acționează asupra atomilor. Iar detectorul sistemului captează pentru prima dată schimbarea stării atomilor. Ajunși la „tavan”, atomii răciți încep să cadă din cauza gravitației și trec prin ghidul de undă a doua oară. La întoarcere, detectorul surprinde din nou starea lor. Deoarece atomii se mișcă extrem de lent, zborul lor sub forma unui nor destul de dens este ușor de controlat, ceea ce înseamnă că nu vor exista atomi care zboară în sus și în jos în același timp în fântână.

Configurația fântânii cu cesiu a lui Chu a fost adoptată de NBS ca standard de frecvență în 1998 și numită NIST-F1. Eroarea sa a fost 4 * 10 -16, ceea ce înseamnă că NIST-F1 a fost mai precis decât predecesorul său NIST-7.

De fapt, NIST-F1 a atins limita de precizie în măsurarea stării atomilor de cesiu. Dar oamenii de știință nu s-au oprit la această victorie. Ei au decis să elimine eroarea introdusă în funcționarea ceasurilor atomice de radiația unui corp complet negru - rezultat al interacțiunii atomilor de cesiu cu radiația termică a corpului instalației în care se deplasează. În noul cronograf atomic NIST-F2, o fântână cu cesiu a fost plasată într-o cameră criogenică, reducând radiația corpului negru la aproape zero. Marja de eroare NIST-F2 este de 3*10 -17 incredibil.

Graficul reducerii erorilor variantelor standardelor de frecvență cesiu

În prezent, ceasurile atomice bazate pe fântâni de cesiu oferă omenirii cel mai precis standard de timp, în raport cu care bate pulsul civilizației noastre tehnogene. Datorită trucurilor de inginerie, maserele cu hidrogen pulsat care răcesc atomii de cesiu în versiunile staționare ale NIST-F1 și NIST-F2 au fost înlocuite cu un fascicul laser convențional asociat cu un sistem magneto-optic. Acest lucru a făcut posibilă crearea unor versiuni compacte și foarte rezistente ale standardelor NIST-Fx, capabile să funcționeze în nave spațiale. Denumite corect „Aerospace Cold Atom Clock”, aceste standarde de frecvență sunt stabilite în sateliții sistemelor de navigație precum GPS, care le oferă o sincronizare uimitoare pentru a rezolva problema calculării foarte precise a coordonatelor receptoarelor GPS utilizate în gadgeturile noastre.

O versiune compactă a ceasului atomic cu fântână de cesiu numită „Aerospace Cold Atom Clock” este folosită în sateliții GPS.

Calculul timpului de referință este realizat de un „ansamblu” de zece NIST-F2 situat la diferite centre de cercetare care colaborează cu BNS. Valoarea exactă a secundei atomice este obținută colectiv și astfel sunt eliminate diverse erori și influența factorului uman.

Cu toate acestea, este posibil ca într-o zi standardul de frecvență a cesiului să fie perceput de descendenții noștri ca un mecanism foarte grosier de măsurare a timpului, așa cum ne uităm acum cu condescendență la mișcările pendulului în ceasurile mecanice ale strămoșilor noștri.

Ceasurile atomice sunt cele mai precise instrumente de cronometrare existente astăzi și devin din ce în ce mai importante pe măsură ce tehnologia modernă avansează și devine mai sofisticată.

Principiul de funcționare

Ceasurile atomice păstrează ora exactă nu datorită dezintegrarii radioactive, așa cum ar părea numele lor, ci folosind vibrațiile nucleelor ​​și electronilor din jurul lor. Frecvența lor este determinată de masa nucleului, gravitația și „echilibratorul” electrostatic dintre nucleul încărcat pozitiv și electroni. Nu se potrivește prea bine cu mecanismul obișnuit. Ceasurile atomice sunt cronometraje mai fiabile, deoarece fluctuațiile lor nu se modifică în funcție de factorii de mediu, cum ar fi umiditatea, temperatura sau presiunea.

Evoluția ceasurilor atomice

De-a lungul anilor, oamenii de știință au realizat că atomii au frecvențe de rezonanță asociate cu capacitatea fiecăruia de a absorbi și de a emite radiații electromagnetice. În anii 1930 și 1940, au fost dezvoltate echipamente de comunicații de înaltă frecvență și radar care ar putea interacționa cu frecvențele de rezonanță ale atomilor și moleculelor. Acest lucru a contribuit la ideea ceasului.

Primele copii au fost construite în 1949 de Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST). Amoniacul a fost folosit ca sursă de vibrații. Cu toate acestea, nu au fost cu mult mai precise decât standardul de timp existent și cesiul a fost folosit în generația următoare.

nou standard

Schimbarea preciziei timpului a fost atât de mare încât, în 1967, Conferința Generală pentru Greutăți și Măsuri a definit secunda SI ca 9.192.631.770 de vibrații ale unui atom de cesiu la frecvența sa de rezonanță. Aceasta însemna că timpul nu mai era legat de mișcarea Pământului. Cel mai stabil ceas atomic din lume a fost creat în 1968 și a fost folosit ca parte a sistemului de referință temporală NIST până în anii 1990.

Masina de imbunatatire

Unul dintre cele mai recente progrese în acest domeniu este răcirea cu laser. Acest lucru a îmbunătățit raportul semnal-zgomot și a redus incertitudinea semnalului de ceas. Acest sistem de răcire și alte echipamente folosite pentru a îmbunătăți ceasul cu cesiu ar necesita spațiu de dimensiunea unui vagon de cale ferată pentru a-l adăposti, deși opțiunile comerciale pot încăpea într-o valiză. Una dintre aceste facilități de laborator ține timpul în Boulder, Colorado și este cel mai precis ceas de pe Pământ. Ele greșesc doar cu 2 nanosecunde pe zi sau 1 s în 1,4 milioane de ani.

Tehnologie sofisticată

Această precizie extraordinară este rezultatul unui proces de fabricație complex. În primul rând, cesiul lichid este plasat într-un cuptor și încălzit până când se transformă într-un gaz. Atomii de metal ies cu viteză mare printr-o mică gaură din cuptor. Electromagneții îi fac să se separe în fascicule separate cu energii diferite. Fasciculul necesar trece prin gaura în formă de U, iar atomii sunt expuși energiei cu microunde la o frecvență de 9.192.631.770 Hz. Datorită acestui fapt, ei sunt entuziasmați și trec într-o stare energetică diferită. Câmpul magnetic filtrează apoi celelalte stări de energie ale atomilor.

Detectorul răspunde la cesiu și arată un maxim la valoarea corectă a frecvenței. Acest lucru este necesar pentru a seta oscilatorul cu cristal care controlează mecanismul de ceas. Împărțirea frecvenței sale la 9.192.631.770 dă un impuls pe secundă.

Nu numai cesiu

Deși cele mai comune ceasuri atomice folosesc proprietățile cesiului, există și alte tipuri. Ele diferă prin elementul aplicat și mijloacele de determinare a schimbării nivelului de energie. Alte materiale sunt hidrogenul și rubidiul. Ceasurile atomice cu hidrogen funcționează ca ceasurile cu cesiu, dar necesită un recipient cu pereți dintr-un material special care împiedică atomii să piardă prea repede energie. Ceasurile Rubidium sunt cele mai simple și compacte. În ele, o celulă de sticlă umplută cu rubidiu gazos modifică absorbția luminii atunci când este expusă la frecvența microundelor.

Cine are nevoie de ora exactă?

Astăzi, timpul poate fi numărat cu o precizie extremă, dar de ce este acest lucru important? Acest lucru este necesar în sisteme precum telefoanele mobile, internetul, GPS-ul, programele de aviație și televiziunea digitală. La prima vedere, acest lucru nu este evident.

Un exemplu de cât de precisă este utilizată este sincronizarea pachetelor. Mii de apeluri telefonice trec prin linia de mijloc. Acest lucru este posibil doar pentru că conversația nu este transmisă complet. Compania de telecomunicații îl împarte în pachete mici și chiar omite unele informații. Apoi trec prin linie împreună cu pachete de alte conversații și sunt restaurate la celălalt capăt fără amestecare. Sistemul de ceas al centralei telefonice poate determina ce pachete aparțin unei anumite conversații în funcție de ora exactă în care au fost trimise informațiile.

GPS

O altă implementare a timpului precis este sistemul de poziționare globală. Este format din 24 de sateliți care își transmit coordonatele și ora. Orice receptor GPS se poate conecta la ele și poate compara orele de difuzare. Diferența permite utilizatorului să-și determine locația. Dacă aceste ceasuri nu ar fi foarte precise, atunci sistemul GPS ar fi nepractic și nefiabil.

Limita perfectiunii

Odată cu dezvoltarea tehnologiei și a ceasurilor atomice, inexactitățile universului au devenit vizibile. Pământul se mișcă inegal, ceea ce duce la fluctuații aleatorii în lungimea anilor și a zilelor. În trecut, aceste modificări ar fi trecut neobservate, deoarece instrumentele de cronometrare erau prea inexacte. Cu toate acestea, spre consternarea cercetătorilor și a oamenilor de știință, ceasurile atomice trebuie ajustate pentru a compensa anomaliile din lumea reală. Sunt instrumente uimitoare pentru avansarea tehnologiei moderne, dar perfecțiunea lor este limitată de limitele stabilite de natură însăși.

În secolul 21, navigația prin satelit se dezvoltă într-un ritm rapid. Puteți determina poziția oricăror obiecte care sunt cumva conectate cu sateliți, fie că este vorba despre un telefon mobil, o mașină sau o navă spațială. Dar nimic din toate acestea nu ar fi putut fi realizat fără ceasurile atomice.
De asemenea, aceste ceasuri sunt folosite în diverse telecomunicații, de exemplu, în comunicațiile mobile. Acesta este cel mai precis ceas care a fost, este și va fi vreodată. Fără ele, internetul nu ar fi sincronizat, nu am ști distanța până la alte planete și stele etc.
În ore, sunt luate 9.192.631.770 de perioade de radiații electromagnetice pe secundă, care au avut loc în timpul tranziției între două niveluri de energie ale atomului de cesiu-133. Astfel de ceasuri se numesc ceasuri cu cesiu. Dar acesta este doar unul dintre cele trei tipuri de ceasuri atomice. Există și ceasuri cu hidrogen și rubidiu. Cu toate acestea, ceasurile cu cesiu sunt folosite cel mai des, așa că nu ne vom opri asupra altor tipuri.

Cum funcționează un ceas atomic cu cesiu

Laserul încălzește atomii izotopului de cesiu și în acest moment, rezonatorul încorporat înregistrează toate tranzițiile atomilor. Și, după cum am menționat mai devreme, după ce s-a ajuns la 9.192.631.770 de tranziții, se numără o secundă.

Un laser încorporat în carcasa ceasului încălzește atomii izotopului de cesiu. În acest moment, rezonatorul înregistrează numărul de tranziții ale atomilor la un nou nivel de energie. Când se atinge o anumită frecvență, și anume 9.192.631.770 de tranziții (Hz), atunci se numără o secundă, pe baza sistemului internațional SI.

Utilizare în navigația prin satelit

Procesul de determinare a locației exacte a unui obiect folosind un satelit este foarte dificil. Mai mulți sateliți sunt implicați în acest lucru, și anume mai mult de 4 pe receptor (de exemplu, un navigator GPS într-o mașină).

Fiecare satelit are un ceas atomic de înaltă precizie, un transmițător radio prin satelit și un generator de cod digital. Emițătorul radio trimite către Pământ un cod digital și informații despre satelit, și anume parametri de orbită, model etc.

Ceasul determină cât timp durează acest cod pentru a ajunge la receptor. Astfel, cunoscând viteza de propagare a undelor radio, se calculează distanța până la receptorul de pe Pământ. Dar un satelit nu este suficient pentru asta. Receptoarele GPS moderne pot primi semnale de la 12 sateliți simultan, ceea ce vă permite să determinați locația unui obiect cu o precizie de până la 4 metri. Apropo, este de remarcat faptul că navigatoarele GPS nu necesită o taxă de abonament.