Isidore Rabi, profesor fyziky na Kolumbijskej univerzite, navrhol doposiaľ nevídaný projekt: hodiny, ktoré fungujú na princípe atómového lúča magnetickej rezonancie. Stalo sa to v roku 1945 a už v roku 1949 Národný úrad pre normy vydal prvý funkčný prototyp. Číta vibrácie molekuly amoniaku. Cézium vstúpilo do podnikania oveľa neskôr: model NBS-1 sa objavil až v roku 1952.
Národné fyzikálne laboratórium v Anglicku vytvorilo prvé céziové lúčové hodiny v roku 1955. O viac ako desať rokov neskôr, počas Generálnej konferencie pre váhy a miery, boli predstavené pokročilejšie hodiny, tiež založené na vibráciách v atóme cézia. Do roku 1990 sa používal model NBS-4.
Typy hodiniek
V súčasnosti existujú tri typy atómových hodín, ktoré fungujú na približne rovnakom princípe. Céziové hodiny, najpresnejšie, oddeľujú atóm cézia magnetickým poľom. Najjednoduchšie atómové hodiny, rubídiové hodiny, využívajú plyn rubídium uzavretý v sklenenej banke. A nakoniec, vodíkové atómové hodiny berú ako referenčný bod atómy vodíka uzavreté v obale zo špeciálneho materiálu - nedovoľujú atómom rýchlo strácať energiu.
Koľko je teraz hodín
V roku 1999 americký Národný inštitút pre štandardy a technológie (NIST) navrhol ešte pokročilejšiu verziu atómových hodín. Model NIST-F1 má chybu len jednu sekundu za dvadsať miliónov rokov.
Najpresnejšie
Fyzici NIST tam však neskončili. Vedci sa rozhodli vyvinúť nový chronometer, tentoraz založený na atómoch stroncia. Nové hodinky bežia na 60 % predchádzajúceho modelu, čo znamená, že jednu sekundu strácajú nie za dvadsať miliónov rokov, ale až za päť miliárd.
Meranie času
Medzinárodná dohoda určila jedinú presnú frekvenciu rezonancie častice cézia. To je 9 192 631 770 hertzov - vydelením výstupného signálu týmto číslom získate presne jeden cyklus za sekundu.
Všimli ste si niekedy, že vaše hodiny doma ukazujú iný čas? A ako pochopiť, ktorá zo všetkých možností je správna? Odpovede na všetky tieto otázky sa dozvieme dôkladným štúdiom princípu fungovania atómových hodín.
Atómové hodiny: popis a princíp činnosti
Poďme najprv pochopiť, aký je mechanizmus atómových hodín. Atómové hodiny sú zariadenie, ktoré meria čas, ale ako periodicitu procesu používa svoje vlastné vibrácie a všetko sa deje na atómovej a molekulárnej úrovni. Preto tá presnosť.
Dá sa povedať, že atómové hodiny sú najpresnejšie! Práve vďaka nim vo svete funguje internet a GPS navigácia, poznáme presnú polohu planét v slnečnej sústave. Chyba tohto zariadenia je taká minimálna, že môžeme s istotou povedať, že sú na svetovej úrovni! Vďaka atómovým hodinám prebieha celá synchronizácia sveta, je známe, kde sa nachádzajú určité zmeny.
Kto vynašiel, kto vytvoril a tiež kto prišiel s týmito zázračnými hodinkami?
Začiatkom štyridsiatych rokov dvadsiateho storočia sa vedelo o atómovom zväzku magnetickej rezonancie. Jej aplikácia sa spočiatku hodiniek nijako netýkala – išlo len o teóriu. Ale už v roku 1945 Isidor Rabi navrhol vytvoriť zariadenie, ktorého koncepciou bolo, že fungujú na základe vyššie uvedenej techniky. Ale boli usporiadané tak, že vykazovali nepresné výsledky. A už v roku 1949 Národný úrad pre normy informoval celý svet o vytvorení prvých atómových hodín, ktoré boli založené na molekulárnych zlúčeninách amoniaku, a už v roku 1952 boli zvládnuté technológie na vytvorenie prototypu založeného na atómoch cézia.
Keď počujeme o atómoch amoniaku a cézia, vynára sa otázka, ale sú tieto nádherné hodiny rádioaktívne? Odpoveď je jednoznačná – nie! Nemajú atómový rozpad.
V súčasnosti existuje veľa materiálov, z ktorých sa vyrábajú atómové hodiny. Napríklad je to kremík, kremeň, hliník a dokonca aj striebro.
Ako zariadenie funguje?
Poďme sa pozrieť, ako vyzerajú a fungujú hodiny s jadrovým pohonom. Na tento účel ponúkame popis ich práce:
Pre správne fungovanie týchto konkrétnych hodín nie je potrebné kyvadlo, ani kremenný oscilátor. Využívajú signály, ktoré vznikajú v dôsledku kvantového prechodu jedného elektrónu medzi dvoma energetickými hladinami atómu. V dôsledku toho sme schopní pozorovať elektromagnetické vlnenie. Inými slovami, dostávame časté výkyvy a ultra vysokú úroveň stability systému. Každý rok sa vďaka novým objavom procesy modernizujú. Nie je to tak dávno, čo sa špecialisti z The National Institute fStandardsand Technology (NIST) stali šampiónmi a vytvorili absolútny svetový rekord. Dokázali dostať presnosť atómových hodín (na báze stroncia) na minimálnu odchýlku, konkrétne: 15 miliárd rokov beží jedna sekunda. Áno, áno, nezdalo sa vám, že toto je vek, ktorý sa teraz priraďuje nášmu Vesmíru. Toto je obrovský objav! Napokon, práve stroncium zohralo v tejto platni najdôležitejšiu úlohu. Pohybujúce sa atómy stroncia v jeho priestorovej mriežke, ktorú vedci vytvorili pomocou lasera, pôsobili ako analógia „tikania“. Ako vždy vo vede, teoreticky sa všetko zdá očarujúce a už vylepšené, ale nestabilita takéhoto systému sa v praxi môže ukázať ako menej radostná. Zariadenie na báze cézia získalo celosvetovú popularitu kvôli svojej nestabilite.
Teraz zvážte, z čoho pozostáva takéto zariadenie. Hlavné podrobnosti sú tu:
- kvantový diskriminátor;
- kremenný generátor;
- elektronika.
Kremenný oscilátor je druh samooscilátora, ale na výrobu rezonančného prvku využíva piezoelektrické režimy kremenného kryštálu.
S kvantovým diskriminátorom a kremenným oscilátorom sa pod vplyvom ich frekvencie porovnávajú a keď sa zistí rozdiel, spätnoväzbový obvod vyžaduje, aby sa kryštálový oscilátor upravil na požadovanú hodnotu a zvýšil sa stabilita a presnosť. Výsledkom je, že na výstupe vidíme na číselníku presnú hodnotu, čo znamená presný čas.
Prvé modely boli dosť veľké, no v októbri 2013 sa BathysHawaii postarali o rozruch vydaním miniatúrnych atómových náramkových hodiniek. Najprv to všetci brali ako vtip, no čoskoro sa ukázalo, že je to naozaj pravda a fungujú na základ atómového zdroja Cézium 133 Bezpečnosť zariadenia je zabezpečená tým, že rádioaktívny prvok je obsiahnutý vo forme plynu v špeciálnej kapsule. Fotografia tohto zariadenia obletela celý svet.
Mnohí v téme atómových hodín sa zaujímajú o problematiku zdroja energie. Batéria je lítium-iónová batéria. Bohužiaľ, zatiaľ nie je známe, ako dlho takáto batéria vydrží.
BathysHawaii hodinky boli skutočne prvé atómové náramkové hodinky. Už predtým boli známe prípady uvoľnenia relatívne prenosného zariadenia, ktoré však, žiaľ, nemalo atómový zdroj energie, ale iba synchronizované so skutočnými celkovými hodinami prostredníctvom bezdrôtového rádia. Za zmienku stojí aj cena takéhoto gadgetu. Potešenie sa odhadovalo na 12-tisíc amerických dolárov. Bolo jasné, že s takou cenou si hodinky nezískajú veľkú popularitu, ale spoločnosť sa o to nesnažila, pretože ich vydala vo veľmi obmedzenej dávke.
Poznáme niekoľko typov atómových hodín. V ich dizajne a princípoch nie sú žiadne významné rozdiely, ale stále existujú určité rozdiely. Hlavné sú teda prostriedky hľadania zmien a ich prvkov. Je možné rozlíšiť nasledujúce typy hodiniek:
- Vodík. Ich podstata spočíva v tom, že atómy vodíka sú podporované na správnej úrovni energie, ale steny sú vyrobené zo špeciálneho materiálu. Na základe toho usudzujeme, že práve atómy vodíka veľmi rýchlo strácajú svoj energetický stav.
- cezeň. Základom pre nich sú céziové nosníky. Stojí za zmienku, že tieto hodinky sú najpresnejšie.
- Rubidium. Sú najjednoduchšie a veľmi kompaktné.
Ako už bolo spomenuté, atómové hodiny sú veľmi drahý prístroj. Vreckové hodinky Hoptroff No. 10 sú teda jasným predstaviteľom novej generácie hračiek. Cena takého štýlového a veľmi presného doplnku je 78 tisíc dolárov. Vyšlo len 12 kópií. Mechanizmus tohto zariadenia využíva vysokofrekvenčný oscilačný systém, ktorý je vybavený aj signálom GPS.
Spoločnosť pri tom nezostala a práve vo svojej desiatej verzii hodiniek chce aplikovať spôsob umiestnenia mechanizmu do zlatého puzdra, ktoré bude vytlačené na obľúbenej 3D tlačiarni. Zatiaľ nie je presne vyčíslené, koľko zlata sa na takúto verziu puzdra použije, no už je známa odhadovaná maloobchodná cena tohto majstrovského diela – dosahovala približne 50-tisíc libier šterlingov. A to nie je konečná cena, hoci zohľadňuje všetky objemy výskumu, ako aj novosť a jedinečnosť samotného gadgetu.
Historické fakty o používaní hodiniek
Ako, keď hovoríme o atómových hodinách, nehovoriac o najzaujímavejších faktoch, ktoré sú s nimi spojené a s časom vo všeobecnosti:
- Vedeli ste, že najstaršie slnečné hodiny boli nájdené v starovekom Egypte?
- Chyba atómových hodín je minimálna – je to len 1 sekunda na 6 miliónov rokov.
- Každý vie, že minúta má 60 sekúnd. Ale len málo ľudí sa ponorilo do toho, koľko milisekúnd je v jednej sekunde? A nie je ich veľa a nie málo - tisíc!
- Každý turista, ktorý mohol navštíviť Londýn, určite chcel vidieť Big Ben na vlastné oči. Ale bohužiaľ, málokto vie, že Big Ben vôbec nie je veža, ale názov obrovského zvonu, ktorý váži 13 ton a zvoní vo vnútri veže.
- Zamysleli ste sa niekedy nad tým, prečo sa ručičky našich hodín pohybujú presne zľava doprava alebo ako sa hovorí „v smere hodinových ručičiek“? Táto skutočnosť priamo súvisí s tým, ako sa tieň pohybuje na slnečných hodinách.
- Úplne prvé náramkové hodinky boli vynájdené v roku 1812. Vyrobil ich zakladateľ Breguetu pre neapolskú kráľovnú.
- Pred prvou svetovou vojnou boli náramkové hodinky považované len za dámsky doplnok, no čoskoro si ich pre ich pohodlnosť vybrala aj mužská časť populácie.
Akí „hodinári“ tento mimoriadne presný strojček vymysleli a zdokonalili? Existuje za neho náhrada? Skúsme na to prísť.
V roku 2012 oslávi atómové meranie času 45. výročie. V roku 1967 sa kategória času v medzinárodnom systéme jednotiek začala určovať nie astronomickými stupnicami, ale céziovým frekvenčným štandardom. Bežní ľudia to nazývajú atómové hodiny.
Aký je princíp činnosti atómových oscilátorov? Ako zdroj rezonančnej frekvencie tieto „zariadenia“ využívajú kvantové energetické hladiny atómov alebo molekúl. Kvantová mechanika spája niekoľko diskrétnych energetických úrovní so systémom "atómové jadro - elektróny". Elektromagnetické pole určitej frekvencie môže vyvolať prechod tohto systému z nízkej úrovne na vyššiu. Možný je aj opačný jav: atóm sa môže pri emisii energie pohybovať z vysokej energetickej hladiny na nižšiu. Oba javy možno ovládať a tieto energetické medziúrovňové skoky fixovať, čím sa vytvorí zdanie oscilačného obvodu. Rezonančná frekvencia tohto obvodu sa bude rovnať energetickému rozdielu medzi dvoma prechodovými úrovňami, vydelenému Planckovou konštantou.
Výsledný atómový oscilátor má oproti svojim astronomickým a mechanickým predchodcom nepopierateľné výhody. Rezonančná frekvencia všetkých atómov látky zvolenej pre oscilátor bude na rozdiel od kyvadiel a piezokryštálov rovnaká. Okrem toho sa atómy neopotrebúvajú a nemenia svoje vlastnosti v priebehu času. Ideálna voľba pre takmer večný a extrémne presný chronometer.
Prvýkrát o možnosti použitia medziúrovňových energetických prechodov v atómoch ako frekvenčného štandardu uvažoval už v roku 1879 britský fyzik William Thomson, známy ako Lord Kelvin. Navrhol použiť vodík ako zdroj atómov rezonátora. Jeho výskum však mal skôr teoretický charakter. Vtedajšia veda ešte nebola pripravená vyvinúť atómový chronometer.
Trvalo takmer sto rokov, kým sa myšlienka lorda Kelvina stala skutočnosťou. Bol to dlhý čas, ale ani úloha to nebola jednoduchá. Premena atómov na ideálne kyvadla sa v praxi ukázala ako náročnejšia ako v teórii. Problém bol v boji s takzvanou rezonančnou šírkou - malým kolísaním frekvencie absorpcie a emisie energie, keď sa atómy pohybujú z úrovne na úroveň. Pomer rezonančnej frekvencie k rezonančnej šírke určuje kvalitu atómového oscilátora. Je zrejmé, že čím väčšia je hodnota rezonančnej šírky, tým nižšia je kvalita atómového kyvadla. Bohužiaľ nie je možné zvýšiť rezonančnú frekvenciu pre zlepšenie kvality. Je konštantná pre atómy každej konkrétnej látky. Ale rezonančnú šírku možno zmenšiť zvýšením času pozorovania atómov.
Technicky sa to dá dosiahnuť nasledovne: nechajte externý, napríklad kremenný, oscilátor periodicky generovať elektromagnetické žiarenie, ktoré spôsobí, že atómy donorovej látky preskočia energetické úrovne. Úlohou ladičky atómového chronografu je v tomto prípade maximálne priblíženie frekvencie tohto kremenného oscilátora k rezonančnej frekvencii medziúrovňového prechodu atómov. To je možné v prípade dostatočne dlhého obdobia pozorovania vibrácií atómov a vytvorenia spätnej väzby, ktorá reguluje frekvenciu kremeňa.
Pravda, okrem problému zmenšovania rezonančnej šírky v atómovom chronografe existuje mnoho ďalších problémov. Ide o Dopplerov jav – posun rezonančnej frekvencie v dôsledku pohybu atómov, a vzájomných zrážok atómov, spôsobujúcich neplánované energetické prechody, dokonca aj vplyv všeprestupujúcej energie tmavej hmoty.
Prvýkrát sa pokúsili o praktickú implementáciu atómových hodín v tridsiatych rokoch minulého storočia vedci z Kolumbijskej univerzity pod vedením budúceho nositeľa Nobelovej ceny Dr. Isidora Rabiho. Rabi navrhol použiť izotop cézia 133 Cs ako zdroj atómov kyvadla. Žiaľ, Rabiho prácu, ktorá NBS veľmi zaujímala, prerušila druhá svetová vojna.
Po jej skončení prešlo prvenstvo v implementácii atómového chronografu na zamestnanca NBS Harolda Lyonsa. Jeho atómový oscilátor pracoval na amoniaku a vykazoval chybu zodpovedajúcu najlepším príkladom kremenných rezonátorov. V roku 1949 boli predvedené čpavkové atómové hodiny širokej verejnosti. Napriek pomerne priemernej presnosti implementovali základné princípy budúcich generácií atómových chronografov.
Prototyp céziových atómových hodín získaný Louisom Essenom poskytoval presnosť 1 * 10 -9, pričom mal rezonančnú šírku iba 340 Hertzov.
O niečo neskôr profesor Harvardskej univerzity Norman Ramsey zlepšil myšlienky Isidora Rabiho, čím sa znížil vplyv na presnosť meraní Dopplerovho javu. Navrhol namiesto jedného dlhého vysokofrekvenčného impulzu excitujúceho atómy použiť dva krátke impulzy vysielané do ramien vlnovodu v určitej vzdialenosti od seba. To umožnilo drasticky znížiť rezonančnú šírku a vlastne umožnilo vytvoriť atómové oscilátory, ktoré sú v presnosti rádovo lepšie ako ich kremenní predkovia.
V päťdesiatych rokoch minulého storočia na základe schémy navrhnutej Normanom Ramseym v Národnom fyzikálnom laboratóriu (Veľká Británia) jeho zamestnanec Louis Essen pracoval na atómovom oscilátore založenom na izotope cézia 133 Cs, ktorý predtým navrhol Rabi. Cézium nebolo vybrané náhodou.
Schéma hyperjemných prechodových hladín atómov izotopu cézia-133
Atómy cézia patriace do skupiny alkalických kovov sú extrémne ľahko excitované na skok medzi energetickými hladinami. Napríklad lúč svetla je ľahko schopný vyradiť prúd elektrónov z atómovej štruktúry cézia. Vďaka tejto vlastnosti je cézium široko používané vo fotodetektoroch.
Zariadenie klasického céziového oscilátora na báze Ramseyho vlnovodu
Prvý oficiálny cézny frekvenčný štandard NBS-1
Potomok NBS-1 - oscilátor NIST-7 využíval laserové čerpanie zväzku atómov cézia
Trvalo viac ako štyri roky, kým sa prototyp Essenu stal skutočným štandardom. Koniec koncov, jemné ladenie atómových hodín bolo možné len porovnaním s existujúcimi efemerídovými jednotkami času. Štyri roky bol atómový oscilátor kalibrovaný pozorovaním rotácie Mesiaca okolo Zeme pomocou najpresnejšej lunárnej kamery, ktorú vynašiel William Markowitz z amerického námorného observatória.
„Úprava“ atómových hodín na lunárne efemeridy sa vykonávala v rokoch 1955 až 1958, po ktorých bolo zariadenie oficiálne uznané NBS ako frekvenčný štandard. Bezprecedentná presnosť céziových atómových hodín navyše prinútila NBS zmeniť jednotku času v štandarde SI. Od roku 1958 bola oficiálne prijatá ako druhá „trvanie 9 192 631 770 periód žiarenia zodpovedajúcich prechodu medzi dvoma hyperjemnými úrovňami štandardného stavu atómu izotopu cézia-133“.
Prístroj Louisa Essena dostal názov NBS-1 a bol považovaný za prvý céziový frekvenčný štandard.
Počas nasledujúcich tridsiatich rokov bolo vyvinutých šesť modifikácií NBS-1, z ktorých posledná, NIST-7, vytvorená v roku 1993 nahradením magnetov laserovými pascami, poskytuje presnosť 5 * 10 -15 s rezonančnou šírkou iba šesťdesiatdva Hertzov.
Porovnávacia tabuľka charakteristík céziových frekvenčných štandardov používaných NBS
| Céziový frekvenčný štandard | Prevádzková doba | Prevádzkový čas ako oficiálny štandard NPFS | Rezonančná šírka | Dĺžka mikrovlnného vedenia | Chybová hodnota |
| 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 | nie | 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 |
Zariadenia NBS sú stacionárne skúšobné stolice, čo umožňuje zaradiť ich skôr medzi štandardy než medzi prakticky používané oscilátory. Ale pre čisto praktické účely spoločnosť Hewlett-Packard pracovala v prospech štandardu céziovej frekvencie. V roku 1964 vytvoril budúci počítačový gigant kompaktnú verziu céziového frekvenčného štandardu – zariadenie HP 5060A.
Frekvenčné štandardy HP 5060, kalibrované pomocou štandardov NBS, sa hodia do typického stojana rádiových zariadení a boli komerčným úspechom. Práve vďaka céziovému frekvenčnému štandardu, ktorý stanovila spoločnosť Hewlett-Packard, sa bezprecedentná presnosť atómových hodín dostala k masám.
Hewlett-Packard 5060A.
V dôsledku toho boli možné veci ako satelitná televízia a komunikácia, globálne navigačné systémy a služby synchronizácie času informačnej siete. Do priemyselného dizajnu sa dostalo mnoho aplikácií technológie atómových chronografov. Spoločnosť Hewlett-Packard sa pri tom nezastavila a neustále zlepšovala kvalitu céziových noriem a ich ukazovatele hmotnosti a veľkosti.
Rodina atómových hodín Hewlett-Packard
V roku 2005 bola divízia atómových hodín Hewlett-Packard predaná spoločnosti Simmetricom.
Spolu s céziom, ktorého zásoby v prírode sú veľmi obmedzené a dopyt po ňom v rôznych technologických oblastiach je mimoriadne vysoký, sa ako donorová látka použilo aj rubídium, ktoré sa svojimi vlastnosťami veľmi približuje céziu.
Zdá sa, že existujúca schéma atómových hodín bola dovedená k dokonalosti. Medzitým to malo nešťastnú nevýhodu, ktorej odstránenie bolo možné v druhej generácii céziových frekvenčných štandardov, nazývaných céziové fontány.
Fontány času a optická melasa
Napriek najvyššej presnosti atómového chronometra NIST-7, ktorý využíva laserovú detekciu stavu atómov cézia, sa jeho schéma zásadne nelíši od schém prvých verzií frekvenčných štandardov cézia.
Konštrukčnou chybou všetkých týchto schém je, že je v podstate nemožné riadiť rýchlosť šírenia zväzku atómov cézia pohybujúceho sa vo vlnovode. A to aj napriek tomu, že rýchlosť pohybu atómov cézia pri izbovej teplote je sto metrov za sekundu. Celkom rýchlo.
Preto sú všetky modifikácie céziových štandardov hľadaním rovnováhy medzi veľkosťou vlnovodu, ktorý má čas pôsobiť na rýchle atómy cézia v dvoch bodoch, a presnosťou detekcie výsledkov tohto efektu. Čím menší je vlnovod, tým ťažšie je vytvoriť po sebe nasledujúce elektromagnetické impulzy ovplyvňujúce rovnaké atómy.
Čo ak však nájdeme spôsob, ako znížiť rýchlosť pohybu atómov cézia? Presne touto myšlienkou sa zaoberal študent Massachusettského technologického inštitútu Jerrold Zacharius, ktorý koncom štyridsiatych rokov minulého storočia skúmal vplyv gravitácie na správanie atómov. Neskôr, zapojený do vývoja variantu céziového frekvenčného štandardu Atomichron, Zacharius navrhol myšlienku céziovej fontány - metódy na zníženie rýchlosti atómov cézia na jeden centimeter za sekundu a zbavenie sa dvojramenného vlnovodu. tradičných atómových oscilátorov.
Zachariusov nápad bol jednoduchý. Čo ak spustíte atómy cézia vo vnútri oscilátora vertikálne? Potom tie isté atómy prejdú detektorom dvakrát: prvýkrát pri ceste nahor a druhýkrát dole, kde sa budú ponáhľať pod vplyvom gravitácie. Pohyb atómov nadol bude zároveň oveľa pomalší ako ich vzlet, pretože počas cesty vo fontáne stratia energiu. Žiaľ, v päťdesiatych rokoch minulého storočia Zacharius nemohol realizovať svoje predstavy. V jeho experimentálnych nastaveniach atómy pohybujúce sa nahor interagovali s tými, ktoré padali dole, čo znížilo presnosť detekcie.
Myšlienka Zachariusa sa vrátila až v osemdesiatych rokoch. Vedci zo Stanfordskej univerzity pod vedením Stevena Chua našli spôsob, ako implementovať Zachariovu fontánu pomocou techniky, ktorú nazývajú „optická melasa“.
V Chu céziovej fontáne je oblak céziových atómov vystrelených nahor predchladený systémom troch párov opačne nasmerovaných laserov s rezonančnou frekvenciou tesne pod optickou rezonanciou atómov cézia.
Schéma céziovej fontány s optickou melasou.
Atómy cézia ochladzované lasermi sa začínajú pomaly pohybovať, ako keby cez melasu. Ich rýchlosť klesá na tri metre za sekundu. Zníženie rýchlosti atómov dáva výskumníkom možnosť presnejšie zistiť stav (je oveľa jednoduchšie vidieť čísla auta pohybujúceho sa rýchlosťou jeden kilometer za hodinu ako auta pohybujúceho sa rýchlosťou sto kilometrov za hodinu).
Guľa ochladených atómov cézia je vystrelená asi meter hore, pričom cestou prechádza vlnovod, cez ktorý na atómy pôsobí elektromagnetické pole s rezonančnou frekvenciou. A detektor systému po prvý raz zachytí zmenu stavu atómov. Po dosiahnutí „stropu“ ochladené atómy začnú klesať vplyvom gravitácie a prechádzajú cez vlnovod druhýkrát. Na ceste späť detektor opäť zachytí ich stav. Keďže sa atómy pohybujú extrémne pomaly, ich let v podobe pomerne hustého oblaku je ľahko ovládateľný, čo znamená, že vo fontáne nebudú lietať žiadne atómy súčasne.
Nastavenie céziovej fontány Chu prijala NBS ako frekvenčný štandard v roku 1998 a pomenovala ho NIST-F1. Jeho chyba bola 4 * 10 -16, čo znamená, že NIST-F1 bol presnejší ako jeho predchodca NIST-7.
V skutočnosti NIST-F1 dosiahol hranicu presnosti pri meraní stavu atómov cézia. Vedci sa však pri tomto víťazstve nezastavili. Rozhodli sa odstrániť chybu, ktorú do práce atómových hodín vnieslo žiarenie úplne čierneho telesa – výsledok interakcie atómov cézia s tepelným žiarením telesa zariadenia, v ktorom sa pohybujú. V novom atómovom chronografe NIST-F2 bola céziová fontána umiestnená v kryogénnej komore, čím sa žiarenie čierneho telesa znížilo takmer na nulu. Medzera chýb NIST-F2 je neuveriteľných 3*10-17.
Graf redukcie chyby variantov céziových frekvenčných noriem
V súčasnosti dávajú atómové hodiny založené na céziových fontánach ľudstvu najpresnejší štandard času, v porovnaní s ktorým bije pulz našej technogénnej civilizácie. Vďaka inžinierskym trikom boli pulzné vodíkové masery, ktoré ochladzujú atómy cézia v stacionárnych verziách NIST-F1 a NIST-F2, nahradené konvenčným laserovým lúčom spárovaným s magnetooptickým systémom. To umožnilo vytvoriť kompaktné a veľmi odolné verzie štandardov NIST-Fx, schopné pracovať v kozmických lodiach. Tieto frekvenčné štandardy s príznačným názvom „Aerospace Cold Atom Clock“ sú nastavené v satelitoch navigačných systémov, ako je GPS, čo im poskytuje úžasnú synchronizáciu na vyriešenie problému veľmi presného výpočtu súradníc prijímačov GPS používaných v našich gadgetoch.
V satelitoch GPS sa používa kompaktná verzia atómových hodín s céziovou fontánou s názvom „Aerospace Cold Atom Clock“.
Výpočet referenčného času vykonáva „súbor“ desiatich NIST-F2 umiestnených v rôznych výskumných centrách spolupracujúcich s NBS. Presná hodnota atómovej sekundy sa získava hromadne a tým sa eliminujú rôzne chyby a vplyv ľudského faktora.
Je však možné, že jedného dňa budú céziový frekvenčný etalón vnímať našimi potomkami ako veľmi hrubý mechanizmus na meranie času, tak ako sa teraz blahosklonne pozeráme na pohyby kyvadla v mechanických dedových hodinách našich predkov.
Atómové hodiny sú dnes najpresnejšími prístrojmi na meranie času a stávajú sa čoraz dôležitejšími, keďže moderná technológia napreduje a stáva sa sofistikovanejšou.
Princíp činnosti
Atómové hodiny udržujú presný čas nie kvôli rádioaktívnemu rozpadu, ako by sa mohlo zdať z ich názvu, ale pomocou vibrácií jadier a elektrónov, ktoré ich obklopujú. Ich frekvencia je určená hmotnosťou jadra, gravitáciou a elektrostatickým „vyvažovačom“ medzi kladne nabitým jadrom a elektrónmi. To sa celkom nezhoduje s bežným hodinovým strojčekom. Atómové hodiny sú spoľahlivejšie časomery, pretože ich výkyvy sa nemenia s faktormi prostredia, ako je vlhkosť, teplota alebo tlak.
Evolúcia atómových hodín
V priebehu rokov si vedci uvedomili, že atómy majú rezonančné frekvencie spojené so schopnosťou každého z nich absorbovať a vyžarovať elektromagnetické žiarenie. V 30. a 40. rokoch 20. storočia boli vyvinuté vysokofrekvenčné komunikačné a radarové zariadenia, ktoré mohli interagovať s rezonančnými frekvenciami atómov a molekúl. To prispelo k myšlienke hodiniek.
Prvé kópie postavil v roku 1949 Národný inštitút pre štandardy a technológie (NIST). Ako zdroj vibrácií bol použitý amoniak. Neboli však oveľa presnejšie ako existujúci časový štandard a v ďalšej generácii sa použilo cézium.
nový štandard
Zmena presnosti času bola taká veľká, že v roku 1967 Všeobecná konferencia pre váhy a miery definovala sekundu SI ako 9 192 631 770 vibrácií atómu cézia na jeho rezonančnej frekvencii. To znamenalo, že čas už nesúvisel s pohybom Zeme. Najstabilnejšie atómové hodiny na svete boli vytvorené v roku 1968 a až do 90. rokov sa používali ako súčasť referenčného systému času NIST.
Vylepšovacie auto
Jedným z najnovších pokrokov v tejto oblasti je laserové chladenie. Tým sa zlepšil pomer signálu k šumu a znížila sa neistota v hodinovom signáli. Tento chladiaci systém a ďalšie zariadenia používané na vylepšenie céziových hodín by si vyžadovali priestor veľkosti železničného vagóna na jeho umiestnenie, hoci komerčné možnosti sa zmestia do kufra. Jedno z týchto laboratórnych zariadení sleduje čas v Boulder, Colorado, a je to najpresnejšie hodiny na Zemi. Mýlia sa iba o 2 nanosekundy za deň alebo 1 s za 1,4 milióna rokov.
Sofistikovaná technológia
Táto obrovská presnosť je výsledkom zložitého výrobného procesu. Najprv sa tekuté cézium vloží do pece a zahrieva sa, kým sa nepremení na plyn. Atómy kovu vychádzajú vysokou rýchlosťou cez malý otvor v peci. Elektromagnety spôsobujú, že sa rozdelia do samostatných lúčov s rôznymi energiami. Požadovaný lúč prechádza cez otvor v tvare U a atómy sú vystavené mikrovlnnej energii s frekvenciou 9 192 631 770 Hz. Vďaka tomu sú vzrušené a prechádzajú do iného energetického stavu. Magnetické pole potom odfiltruje ostatné energetické stavy atómov.
Detektor reaguje na cézium a ukazuje maximum pri správnej hodnote frekvencie. To je potrebné na nastavenie kryštálového oscilátora, ktorý riadi hodinový mechanizmus. Vydelením jeho frekvencie číslom 9.192.631.770 dostaneme jeden impulz za sekundu.
Nielen cezeň
Hoci najbežnejšie atómové hodiny využívajú vlastnosti cézia, existujú aj iné typy. Líšia sa použitým prvkom a prostriedkami na určenie zmeny úrovne energie. Ďalšími materiálmi sú vodík a rubídium. Vodíkové atómové hodiny fungujú ako céziové hodiny, ale vyžadujú nádobu so stenami zo špeciálneho materiálu, ktorý bráni tomu, aby atómy príliš rýchlo strácali energiu. Hodinky Rubidium sú najjednoduchšie a najkompaktnejšie. V nich sklenená bunka naplnená plynným rubídiom mení absorpciu svetla pri vystavení mikrovlnnej frekvencii.
Kto potrebuje presný čas?
Dnes sa čas dá počítať s extrémnou presnosťou, ale prečo je to dôležité? Je to potrebné v systémoch, ako sú mobilné telefóny, internet, GPS, letecké programy a digitálna televízia. Na prvý pohľad to nie je zrejmé.
Príkladom použitia presného času je synchronizácia paketov. Cez strednú linku idú tisícky telefonátov. Je to možné len preto, že konverzácia sa neprenáša úplne. Telekomunikačná spoločnosť ho rozdelí na malé balíčky a niektoré informácie dokonca preskočí. Potom prechádzajú cez linku spolu s paketmi iných konverzácií a sú obnovené na druhom konci bez miešania. Systém hodín telefónnej ústredne dokáže určiť, ktoré pakety patria k danej konverzácii, podľa presného času odoslania informácie.
GPS
Ďalšou implementáciou presného času je globálny polohovací systém. Pozostáva z 24 satelitov, ktoré vysielajú svoje súradnice a čas. Dokáže sa k nim pripojiť akýkoľvek GPS prijímač a porovnávať vysielacie časy. Rozdiel umožňuje používateľovi určiť svoju polohu. Ak by tieto hodiny neboli veľmi presné, potom by systém GPS bol nepraktický a nespoľahlivý.
Hranica dokonalosti
S rozvojom technológie a atómových hodín sa začali objavovať nepresnosti vesmíru. Zem sa pohybuje nerovnomerne, čo vedie k náhodným výkyvom v dĺžke rokov a dní. V minulosti by tieto zmeny zostali nepovšimnuté, pretože nástroje na meranie času boli príliš nepresné. Na veľké zdesenie výskumníkov a vedcov však musia byť atómové hodiny nastavené tak, aby kompenzovali anomálie v reálnom svete. Sú to úžasné nástroje na napredovanie moderných technológií, no ich dokonalosť je obmedzená limitmi, ktoré stanovuje samotná príroda.
V 21. storočí sa satelitná navigácia vyvíja rýchlym tempom. Môžete určiť polohu akýchkoľvek objektov, ktoré sú nejakým spôsobom spojené so satelitmi, či už ide o mobilný telefón, auto alebo kozmickú loď. Nič z toho by sa však nedalo dosiahnuť bez atómových hodín.
Tieto hodinky sa tiež používajú v rôznych telekomunikáciách, napríklad v mobilnej komunikácii. Ide o najpresnejšie hodinky, aké kedy boli, sú a budú. Bez nich by sa internet nesynchronizoval, nepoznali by sme vzdialenosť k iným planétam a hviezdam atď.
V hodinách sa za sekundu odoberie 9 192 631 770 periód elektromagnetického žiarenia, ktoré sa vyskytli pri prechode medzi dvoma energetickými hladinami atómu cézia-133. Takéto hodiny sa nazývajú céziové hodiny. Ale toto je len jeden z troch typov atómových hodín. Existujú aj vodíkové a rubídiové hodiny. Najčastejšie sa však používajú céziové hodiny, preto sa nebudeme pozastavovať nad inými typmi.
Ako fungujú céziové atómové hodiny
Laser ohrieva atómy izotopu cézia a v tomto čase vstavaný rezonátor registruje všetky prechody atómov. A ako už bolo spomenuté, po dosiahnutí 9 192 631 770 prechodov sa počíta jedna sekunda.
Laser zabudovaný v puzdre hodiniek zahrieva atómy izotopu cézia. V tomto čase rezonátor registruje počet prechodov atómov na novú energetickú hladinu. Keď sa dosiahne určitá frekvencia, konkrétne 9 192 631 770 prechodov (Hz), počíta sa sekunda na základe medzinárodného systému SI.
Použitie v satelitnej navigácii
Proces určenia presnej polohy objektu pomocou satelitu je veľmi náročný. Zapojených je do toho viacero satelitov, konkrétne viac ako 4 na jeden prijímač (napríklad GPS navigátor v aute).
Každý satelit má vysoko presné atómové hodiny, satelitný rádiový vysielač a generátor digitálneho kódu. Rádiový vysielač posiela na Zem digitálny kód a informácie o satelite, konkrétne parametre obežnej dráhy, model atď.
Hodiny určujú, ako dlho trvá, kým sa tento kód dostane k prijímaču. Pri znalosti rýchlosti šírenia rádiových vĺn sa teda vypočíta vzdialenosť k prijímaču na Zemi. Na to ale jeden satelit nestačí. Moderné GPS prijímače dokážu prijímať signály z 12 satelitov súčasne, čo umožňuje určiť polohu objektu s presnosťou až 4 metre. Mimochodom, stojí za zmienku, že navigátory GPS nevyžadujú predplatné.
