Ceasuri atomice de înaltă precizie care fac o eroare de o secundă în 300 de milioane de ani. Acest ceas, care a înlocuit un model vechi care s-a oprit cu o secundă într-o sută de milioane de ani, stabilește acum standardul pentru ora civilă americană. Lenta.ru a decis să reamintească istoria creării ceasurilor atomice.

Primul atom

Pentru a crea un ceas, este suficient să folosiți orice proces periodic. Iar istoria apariției instrumentelor de măsurare a timpului este parțial istoria apariției fie a noilor surse de energie, fie a noilor sisteme oscilatorii utilizate în ceasuri. Cel mai simplu ceas este probabil ceasul solar, care necesită doar soarele și un obiect pentru a arunca o umbră pentru a funcționa. Dezavantajele acestei metode de determinare a timpului sunt evidente. Nici apa și clepsidra nu sunt mai bune: sunt potrivite doar pentru măsurarea unor perioade de timp relativ scurte.

Cel mai vechi ceas mecanic a fost găsit în 1901 lângă insula Antikythera pe o navă scufundată în Marea Egee. Ele conțin aproximativ 30 de roți dințate de bronz într-o carcasă de lemn care măsoară 33 pe 18 pe 10 centimetri și datează din jurul anului 100 î.Hr.

De aproape două mii de ani, ceasurile mecanice au fost cele mai precise și fiabile. Apariția în 1657 a lucrării clasice a lui Christian Huygens „Ceasul cu pendul” („Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica”) cu o descriere a unui dispozitiv de referință temporală cu un pendul ca sistem oscilant, a fost probabil apogeu în istoria dezvoltării dispozitivelor mecanice de acest tip.

Cu toate acestea, astronomii și navigatorii încă foloseau cerul înstelat și hărțile pentru a-și determina locația și ora exactă. Primul ceas electric a fost inventat în 1814 de Francis Ronalds. Cu toate acestea, primul astfel de instrument a fost inexact din cauza sensibilității sale la schimbările de temperatură.

Istoria ulterioară a ceasurilor este legată de utilizarea diferitelor sisteme oscilatorii în dispozitive. Introduse în 1927 de angajații Bell Labs, ceasurile de cuarț foloseau proprietățile piezoelectrice ale unui cristal de cuarț: atunci când i se aplică un curent electric, cristalul începe să se micșoreze. Cronometrele moderne cu cuarț pot atinge o precizie de până la 0,3 secunde pe lună. Cu toate acestea, deoarece cuarțul este supus îmbătrânirii, în timp ceasul devine mai puțin precis.

Odată cu dezvoltarea fizicii atomice, oamenii de știință au propus utilizarea particulelor de materie ca sisteme oscilatorii. Așa a apărut primul ceas atomic. Ideea de a folosi vibrațiile atomice ale hidrogenului pentru a măsura timpul a fost sugerată încă din 1879 de către fizicianul englez Lord Kelvin, dar acest lucru a devenit posibil abia la mijlocul secolului al XX-lea.

Reproducerea unui tablou de Hubert von Herkomer (1907)

În anii 1930, fizicianul american și descoperitorul rezonanței magnetice nucleare, Isidore Rabi, a început să lucreze la ceasurile atomice cu cesiu-133, dar izbucnirea războiului l-a împiedicat. Deja după război, în 1949, primul ceas molecular care folosește molecule de amoniac a fost creat la Comitetul Național de Standarde al SUA, cu participarea lui Harold Lyonson. Dar primele astfel de instrumente pentru măsurarea timpului nu au fost la fel de precise ca ceasurile atomice moderne.

Precizia relativ scăzută s-a datorat faptului că, datorită interacțiunii moleculelor de amoniac între ele și cu pereții recipientului în care se afla această substanță, energia moleculelor s-a schimbat și liniile lor spectrale s-au lărgit. Acest efect este foarte asemănător cu frecarea dintr-un ceas mecanic.

Mai târziu, în 1955, Louis Esssen de la Laboratorul Național de Fizică din Marea Britanie a introdus primul ceas atomic cu cesiu-133. Acest ceas a acumulat o eroare de o secundă într-un milion de ani. Dispozitivul a fost numit NBS-1 și a început să fie considerat un standard de frecvență de cesiu.

Schema de circuit a unui ceas atomic constă dintr-un oscilator cu cristal controlat de un discriminator de feedback. Oscilatorul folosește proprietățile piezoelectrice ale cuarțului, în timp ce discriminatorul folosește vibrațiile energetice ale atomilor, astfel încât vibrațiile cuarțului sunt urmărite de semnale de la tranziții de la diferite niveluri de energie în atomi sau molecule. Între generator și discriminator există un compensator reglat la frecvența vibrațiilor atomice și care o compară cu frecvența de vibrație a cristalului.

Atomii folosiți în ceas trebuie să ofere vibrații stabile. Fiecare frecvență a radiațiilor electromagnetice are proprii atomi: calciu, stronțiu, rubidiu, cesiu, hidrogen. Sau chiar molecule de amoniac și iod.

standard de timp

Odată cu apariția instrumentelor de măsurare a timpului atomic, a devenit posibilă utilizarea acestora ca standard universal pentru determinarea celui de-al doilea. Din 1884, ora Greenwich, considerată standardul mondial, a făcut loc standardului ceasurilor atomice. În 1967, prin decizia celei de-a 12-a Conferințe Generale de Greutăți și Măsuri, o secundă a fost definită ca durata a 9192631770 de perioade de radiație corespunzătoare tranziției între două niveluri hiperfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu-133. Această definiție a secundei nu depinde de parametrii astronomici și poate fi reprodusă oriunde pe planetă. Cesiu-133, folosit în ceasul atomic standard, este singurul izotop stabil al cesiului cu abundență de 100% pe Pământ.

Ceasurile atomice sunt, de asemenea, folosite în sistemul de navigație prin satelit; sunt necesare pentru a determina ora exactă și coordonatele satelitului. Astfel, fiecare satelit al sistemului GPS are patru seturi de astfel de ceasuri: două de rubidiu și două de cesiu, care asigură o precizie de transmisie a semnalului de 50 de nanosecunde. Sateliții ruși ai sistemului GLONASS au și instrumente de măsurare a timpului atomic de cesiu și rubidiu, iar sateliții sistemului european de geopoziționare Galileo, aflat în desfășurare, sunt echipați cu hidrogen și rubidiu.

Precizia ceasurilor cu hidrogen este cea mai mare. Este de 0,45 nanosecunde în 12 ore. Aparent, utilizarea unor ceasuri atât de precise de către Galileo va aduce acest sistem de navigație în prim-plan în 2015, când cei 18 sateliți ai săi vor fi pe orbită.

Ceas atomic compact

Hewlett-Packard a fost prima companie care a dezvoltat un ceas atomic compact. În 1964, ea a creat instrumentul cu cesiu HP 5060A, de dimensiunea unei valize mari. Compania a continuat să dezvolte această direcție, dar din 2005 și-a vândut divizia de ceas atomic către Symmetricom.

În 2011, Draper Laboratories și Sandia National Laboratories au dezvoltat, iar Symmetricom a lansat primul ceas atomic în miniatură Quantum. La momentul lansării, acestea costau aproximativ 15 mii de dolari, erau închise într-o cutie sigilată de 40 pe 35 pe 11 milimetri și cântăreau 35 de grame. Consumul de energie al ceasului a fost mai mic de 120 de miliwați. Inițial, acestea au fost dezvoltate la ordinul Pentagonului și au fost destinate să servească sisteme de navigație care funcționează independent de sistemele GPS, de exemplu, la adâncime sub apă sau pe uscat.

Deja la sfârșitul anului 2013, compania americană Bathys Hawaii a introdus primul ceas atomic „de încheietură”. Ei folosesc ca componentă principală cipul SA.45s fabricat de Symmetricom. În interiorul cipului se află o capsulă cu cesiu-133. Designul ceasului include, de asemenea, fotocelule și un laser de putere redusă. Acesta din urmă asigură încălzirea cesiului gazos, în urma căreia atomii săi încep să se miște de la un nivel de energie la altul. Măsurarea timpului se face doar prin fixarea unei astfel de tranziții. Costul noului dispozitiv este de aproximativ 12 mii de dolari.

Tendințele spre miniaturizare, autonomie și acuratețe vor duce la faptul că în viitorul apropiat vor exista noi dispozitive care folosesc ceasuri atomice în toate domeniile vieții umane, de la cercetările spațiale privind sateliții și stațiile care orbitează până la aplicații domestice în sistemele de interior și de încheietură.

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.

Anul trecut, 2012, au trecut patruzeci și cinci de ani de când omenirea a decis să folosească cronometrul atomic pentru a măsura timpul cât mai precis posibil. În 1967, categoria internațională de timp a încetat să fie determinată de scale astronomice - au fost înlocuite cu standardul de frecvență de cesiu. El a primit numele acum popular - ceasuri atomice. Ora exactă pe care vă permit să-l determinați are o eroare nesemnificativă de o secundă în trei milioane de ani, ceea ce le permite să fie folosite ca standard de timp în orice colț al lumii.

Un pic de istorie

Ideea însăși de a folosi vibrațiile atomice pentru măsurarea ultra-preciză a timpului a fost exprimată pentru prima dată în 1879 de către fizicianul britanic William Thomson. În rolul emițătorului de atomi rezonatori, acest om de știință a propus utilizarea hidrogenului. Primele încercări de a pune ideea în practică au fost făcute abia în anii 1940. secolul douăzeci. Și primul ceas atomic funcțional din lume a apărut în 1955 în Marea Britanie. Creatorul lor a fost fizicianul experimental britanic Dr. Louis Essen. Acest ceas a funcționat pe baza vibrațiilor atomilor de cesiu-133 și, datorită acestora, oamenii de știință au reușit în sfârșit să măsoare timpul cu o precizie mult mai mare decât înainte. Primul dispozitiv al lui Essen a permis o eroare de cel mult o secundă la fiecare sută de ani, dar ulterior a crescut de multe ori și eroarea pe secundă nu se poate acumula decât în ​​2-3 sute de milioane de ani.

Ceasul atomic: cum funcționează

Cum funcționează acest „dispozitiv” ingenios? Ca generator de frecvență de rezonanță, ceasurile atomice folosesc molecule sau atomi la nivel cuantic. stabilește o legătură între sistemul „nucleu atomic – electroni” cu mai multe niveluri de energie discrete. Dacă un astfel de sistem este afectat cu o frecvență strict specificată, atunci va avea loc trecerea acestui sistem de la un nivel scăzut la unul ridicat. Este posibil și procesul invers: trecerea unui atom de la un nivel superior la unul inferior, însoțită de emisia de energie. Aceste fenomene pot fi controlate și înregistrate toate salturile de energie prin crearea a ceva ca un circuit oscilator (se mai numește și oscilator atomic). Frecvența sa de rezonanță va corespunde diferenței de energie dintre nivelurile de tranziție atomică vecine, împărțită la constanta lui Planck.

Un astfel de circuit oscilator are avantaje incontestabile față de predecesorii săi mecanici și astronomici. Pentru un astfel de oscilator atomic, frecvența de rezonanță a atomilor oricărei substanțe va fi aceeași, ceea ce nu se poate spune despre pendule și piezocristale. În plus, atomii nu își schimbă proprietățile în timp și nu se uzează. Prin urmare, ceasurile atomice sunt cronometru extrem de precise și aproape eterne.

Ora precisă și tehnologii moderne

Rețele de telecomunicații, comunicații prin satelit, GPS, servere NTP, tranzacții electronice la bursă, licitații online, procedura de cumpărare a biletelor prin internet - toate acestea și multe alte fenomene au fost de mult stabilite ferm în viața noastră. Dar dacă omenirea nu ar fi inventat ceasul atomic, toate acestea pur și simplu nu s-ar fi întâmplat. Timpul precis, sincronizarea cu care vă permite să minimizați orice erori, întârzieri și întârzieri, permite unei persoane să profite la maximum de această resursă neprețuită de neînlocuit, care nu este niciodată prea mult.

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.

O senzație s-a răspândit în lumea științifică - timpul se evaporă din Universul nostru! Până acum, aceasta este doar o ipoteză a astrofizicienilor spanioli. Dar faptul că fluxul timpului pe Pământ și în spațiu este diferit a fost deja dovedit de oamenii de știință. Timpul curge mai lent sub influența gravitației, accelerând pe măsură ce te îndepărtezi de planetă. Sarcina de sincronizare a timpului terestru și cosmic este îndeplinită de standardele de frecvență a hidrogenului, care sunt numite și „ceasuri atomice”.

Prima oră atomică a apărut odată cu apariția astronauticii, ceasurile atomice au apărut la mijlocul anilor 1920. Acum ceasurile atomice au devenit obișnuite, fiecare dintre noi le folosește în fiecare zi: funcționează cu comunicații digitale, GLONAS, navigație și transport.

Posesorii de telefoane mobile cu greu se gândesc la cât de multă muncă se desfășoară în spațiu pentru o sincronizare strânsă a timpului, dar vorbim de doar milionatimi de secundă.

Standardul de timp exact este stocat în regiunea Moscovei, la Institutul Științific de Măsurări Fizico-Tehnice și Radio-Tehnice. Există 450 de astfel de ceasuri în lume.

Rusia și SUA sunt monopoliste pentru ceasurile atomice, dar în SUA ceasurile funcționează pe bază de cesiu, un metal radioactiv foarte dăunător pentru mediu, iar în Rusia, pe bază de hidrogen, un material durabil mai sigur.

Acest ceas nu are cadran și mâini: arată ca un butoi mare din metale rare și valoroase, umplut cu cele mai avansate tehnologii - instrumente de măsurare de înaltă precizie și echipamente cu standarde atomice. Procesul de creare a acestora este foarte lung, complex și se desfășoară în condiții de sterilitate absolută.

De 4 ani, ceasul instalat pe satelitul rus studiază energia întunecată. După standardele umane, ei își pierd precizia cu 1 secundă în multe milioane de ani.

Foarte curând, un ceas atomic va fi instalat pe Spektr-M, un observator spațial care va vedea cum se formează stelele și exoplanetele, privind dincolo de marginea unei găuri negre din centrul galaxiei noastre. Potrivit oamenilor de știință, din cauza gravitației monstruoase, timpul curge aici atât de încet încât aproape că se oprește.

tvroscosmos