Pernai, 2012 m., sukako keturiasdešimt penkeri metai, kai žmonija nusprendė naudoti atominį laiko matavimą, kad galėtų kuo tiksliau išmatuoti laiką. 1967 metais Tarptautinė laiko kategorija nustojo būti nustatoma pagal astronomines skales – jas pakeitė cezio dažnio standartas. Būtent jis gavo dabar populiarų pavadinimą – atominį laikrodį. Tikslus laikas, kurį jie leidžia nustatyti, turi nereikšmingą vienos sekundės per tris milijonus metų paklaidą, kuri leidžia juos naudoti kaip laiko etaloną bet kuriame pasaulio kampelyje.
Šiek tiek istorijos
Pačią idėją panaudoti atomines vibracijas itin tiksliam laiko matavimui dar 1879 metais išsakė britų fizikas Williamas Thomsonas. Šis mokslininkas pasiūlė naudoti vandenilį kaip rezonatoriaus atomų emiterį. Pirmieji bandymai įgyvendinti idėją buvo atlikti tik 40-aisiais. dvidešimtas amžius. Pirmasis pasaulyje veikiantis atominis laikrodis pasirodė 1955 metais Didžiojoje Britanijoje. Jų kūrėjas buvo britų eksperimentinis fizikas daktaras Louisas Essenas. Šie laikrodžiai veikė cezio-133 atomų virpesių pagrindu ir jų dėka mokslininkams pagaliau pavyko išmatuoti laiką daug tiksliau nei anksčiau. Pirmasis Eseno įrenginys kas šimtą metų leido padaryti ne didesnę kaip sekundės paklaidą, tačiau vėliau ji išaugo daug kartų ir paklaida per sekundę gali kauptis tik per 2–3 šimtus milijonų metų.
Atominis laikrodis: veikimo principas
Kaip veikia šis protingas „prietaisas“? Atominiai laikrodžiai naudoja molekules arba atomus kvantiniu lygiu kaip rezonansinio dažnio generatorių. nustato sistemos ryšį atomo branduolys- elektronai“, turintys kelis atskirus energijos lygius. Jei tokia sistema bus paveikta griežtai nurodytu dažniu, ši sistema pereis iš žemas lygisį aukštą. Galimas ir atvirkštinis procesas: atomo perėjimas nuo daugiau aukštas lygis iki mažo, kartu su energijos emisija. Šiuos reiškinius galima valdyti ir visus energijos šuolius užfiksuoti sukuriant kažką panašaus į virpesių grandinę (taip pat vadinamą atominiu osciliatoriumi). Jo rezonansinis dažnis atitiks energijos skirtumą tarp gretimų atominių pereinamųjų lygių, padalijus iš Planko konstantos.
Tokia virpesių grandinė turi neabejotinų pranašumų, palyginti su mechaniniais ir astronominiais pirmtakais. Vienam tokiam atominiam osciliatoriui bet kurios medžiagos atomų rezonansinis dažnis bus toks pat, ko negalima pasakyti apie švytuokles ir pjezokristalus. Be to, atomai laikui bėgant nekeičia savo savybių ir nesusidėvi. Todėl atominiai laikrodžiai yra itin tikslūs ir praktiškai amžini chronometrai.
Tikslus laikas ir modernios technologijos
Telekomunikacijų tinklai, palydovinis ryšys, GPS, NTP serveriai, elektroninės operacijos biržoje, internetiniai aukcionai, bilietų pirkimo internetu tvarka – visa tai ir daugelis kitų reiškinių jau seniai įsitvirtino mūsų gyvenime. Bet jei žmonija nebūtų išradusi atominių laikrodžių, viso to tiesiog nebūtų įvykę. Tikslus laikas, su kuriuo sinchronizacija leidžia sumažinti klaidas, vėlavimus ir vėlavimus, leidžia žmogui maksimaliai išnaudoti šį neįkainojamą nepakeičiamą išteklį, kurio niekada nebūna per daug.
, Galileo) neįmanomi be atominių laikrodžių. Atominiai laikrodžiai taip pat naudojami palydovinėse ir antžeminėse telekomunikacijų sistemose, įskaitant bazines stotis mobiliojo ryšio, tarptautinius ir nacionalinius standartų biurus ir laiko tarnybas, kurios periodiškai transliuoja laiko signalus per radiją.
Laikrodžio įrenginys
Laikrodis susideda iš kelių dalių:
- kvantinis diskriminatorius,
- elektronikos kompleksas.
Nacionaliniai dažnių standartų centrai
Daugelis šalių sukūrė nacionalinius laiko ir dažnių standartų centrus:
- (VNIIFTRI), Mendeleevo kaimas, Maskvos sritis;
- (NIST), Boulder (JAV, Koloradas);
- Nacionalinis pažangių pramonės mokslų ir technologijų institutas (AIST), Tokijas (Japonija);
- Federalinė fizinė ir techninė agentūra (vokiečių kalba)(PTB), Braunšveigas (Vokietija);
- Nacionalinė metrologijos ir bandymų laboratorija (Prancūzų kalba)(LNE), Paryžius (Prancūzija).
- JK nacionalinė fizinė laboratorija (NPL), Londonas, JK.
Mokslininkai skirtingos salys stengiasi tobulinti atominius laikrodžius ir jais pagrįsti pirminius laiko ir dažnių standartus, tokių laikrodžių tikslumas nuolat didėja. Rusijoje atliekami platūs tyrimai, skirti pagerinti atominių laikrodžių veikimą.
Atominių laikrodžių tipai
Ne kiekvienas atomas (molekulė) yra tinkamas kaip atominio laikrodžio diskriminatorius. Pasirinkite atomus, kurie yra nejautrūs įvairiems išorinių poveikių: magnetinis, elektrinis ir elektromagnetiniai laukai. Tokių atomų yra kiekviename elektromagnetinės spinduliuotės spektro diapazone. Tai: kalcio, rubidžio, cezio, stroncio atomai, vandenilio, jodo, metano, osmio(VIII) oksido ir kt. molekulės. Pagrindiniu (pirminiu) dažnio etalonu pasirinktas cezio atomo hipersmulkusis perėjimas. Visų kitų (antrinių) standartų veikimas lyginamas su šiuo standartu. Tokiam palyginimui šiuo metu naudojamos vadinamosios optinės šukos. (Anglų)- plataus dažnio spektro spinduliuotė vienodo atstumo linijų pavidalu, atstumas tarp kurių yra susietas su atominio dažnio standartu. Optinės šukos gaminamos naudojant fiksuotą femtosekundinį lazerį ir mikrostruktūrinį optinį pluoštą, kurio spektras išplečiamas iki vienos oktavos.
2006 metais Amerikos nacionalinio standartų ir technologijų instituto mokslininkai, vadovaujami Jimo Bergkvisto, sukūrė laikrodį, veikiantį vienu atomu. Perėjimai tarp gyvsidabrio jonų energijos lygių sukuria fotonus matomame diapazone, kurių stabilumas yra 5 kartus didesnis nei cezio-133 mikrobangų spinduliuotės. Naujasis laikrodis taip pat gali būti pritaikytas tyrinėjant pagrindinių fizinių konstantų pokyčių priklausomybę nuo laiko. 2015 m. balandžio mėn. tiksliausi atominiai laikrodžiai buvo JAV nacionalinio standartų ir technologijų instituto sukurti. Klaida buvo tik viena sekundė per 15 milijardų metų. Kaip vienas iš galimos programos Laikrodis rodė reliatyvistinę geodeziją, kurios pagrindinė idėja yra naudoti laikrodžių tinklą kaip gravitacinius jutiklius, kurie padės atlikti neįtikėtinai išsamius trimačius Žemės formos matavimus.
Aktyvus kompaktiškų atominių laikrodžių, skirtų naudoti, kūrimas Kasdienybė (rankinis laikrodis, mobilieji įrenginiai). 2011 metų pradžioje amerikiečių įmonė Symmetricom paskelbė apie mažos lusto dydžio cezio atominio laikrodžio komercinį išleidimą. Laikrodis veikia remiantis nuoseklaus gyventojų gaudymo efektu. Jų stabilumas 5 10 -11 per valandą, svoris 35 g, energijos sąnaudos 115 mW.
Pastabos
- Naujas atominio laikrodžio tikslumo rekordas (neapibrėžtas) . Membrana (2010 m. vasario 5 d.). Gauta 2011 m. kovo 4 d. Suarchyvuota 2012 m. vasario 9 d.
- Nurodyti dažniai yra būdingi būtent tiksliesiems kvarciniams rezonatoriams, kurių kokybės koeficientas ir dažnio stabilumas yra aukščiausias, kai naudojamas pjezoelektrinis efektas. Paprastai kvarciniai generatoriai naudojami dažniais nuo kelių kHz iki kelių šimtų MHz. ( Altshuller G. B., Elfimov N. N., Shakulin V. G. Kristaliniai generatoriai: informacinis vadovas. - M.: Radijas ir ryšiai, 1984. - S. 121, 122. - 232 p. – 27 000 egzempliorių.)
- N. G. Basovas, V. S. Letokhovas. Optinio dažnio standartai. // UFN. - 1968. - T. 96, Nr.12.
- Nacionalinės metrologijos laboratorijos (anglų k.). NIST, 2011 m. vasario 3 d (Paimta 2011 m. birželio 14 d.)
- Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T. ir kt. Vieno atomo optinis laikrodis su dideliu tikslumu // Fizik. Rev. Lett. . – Amerikos fizikos draugija, 2006 m. liepos 4 d. – t. 97, Nr. 2. -
Mokslo pasaulį pasklido sensacija – laikas išgaruoja iš mūsų Visatos! Kol kas tai tik ispanų astrofizikų hipotezė. Tačiau tai, kad laiko tėkmė Žemėje ir erdvėje skiriasi, mokslininkai jau įrodė. Laikas, veikiamas gravitacijos, teka lėčiau, tolstant nuo planetos vis greičiau. Žemiško ir kosminio laiko sinchronizavimo užduotį atlieka vandenilio dažnio standartai, kurie dar vadinami „atominiais laikrodžiais“.
Pirmasis atominis laikas atsirado kartu su astronautikos atsiradimu 20-ųjų viduryje. Šiais laikais atominiai laikrodžiai tapo kasdienybe, jais naudojamės kiekvieną dieną: su jų pagalba veikia skaitmeniniai ryšiai, GLONASS, navigacija, transportas.
Mobiliųjų telefonų savininkai vargu ar galvoja apie ką sunkus darbas erdvėje tai atliekama griežtai laiko sinchronizacijai, bet kalbame tik apie milijonines sekundės dalis.
Tikslus laiko standartas saugomas Maskvos regione, in Mokslinis institutas fizikiniai-techniniai ir radiotechniniai matavimai. Pasaulyje yra 450 tokių laikrodžių.
Rusija ir JAV turi atominių laikrodžių monopolijas, tačiau JAV laikrodžiai veikia cezio, labai kenksmingo aplinkai metalo, pagrindu, o Rusijoje vandenilio pagrindu – saugesnės, patvaresnės medžiagos.
Šis laikrodis neturi nei ciferblato, nei rodyklių: atrodo kaip didelė retų ir vertingų metalų statinė, užpildyta pažangiausiomis technologijomis – didelio tikslumo matavimo prietaisais ir atominiais standartais atitinkančia įranga. Jų kūrimo procesas yra labai ilgas, sudėtingas ir vyksta absoliutaus sterilumo sąlygomis.
Jau 4 metus tiriami Rusijos palydove sumontuoti laikrodžiai tamsi energija. Pagal žmogaus standartus, per daugelį milijonų metų jie praranda tikslumą 1 sekunde.
Netrukus atominiai laikrodžiai bus sumontuoti Spektr-M - kosminėje observatorijoje, kuri matys, kaip formuojasi žvaigždės ir egzoplanetos, ir pažvelgs už krašto. Juodoji skylė mūsų galaktikos centre. Mokslininkų teigimu, dėl monstriškos gravitacijos laikas čia teka taip lėtai, kad beveik sustoja.
tvroskosmosas
Naują postūmį laiko matavimo prietaisų kūrimui davė atomų fizikai.
1949 metais buvo pastatytas pirmasis atominis laikrodis, kuriame virpesių šaltinis buvo ne švytuoklė ar kvarcinis generatorius, o signalai, susiję su kvantinis perėjimas elektronas tarp dviejų atomo energijos lygių.
Praktikoje tokie laikrodžiai pasirodė ne itin tikslūs, be to, jie buvo stambūs ir brangūs bei nebuvo plačiai naudojami. Tada buvo nuspręsta susisiekti cheminis elementas- cezis. O 1955 metais pasirodė pirmieji cezio atomų pagrindu sukurti atominiai laikrodžiai.
1967 m. buvo nuspręsta pereiti prie atominio laiko etalono, nes Žemės sukimasis lėtėja ir šio sulėtėjimo dydis nėra pastovus. Tai gerokai apsunkino astronomų ir laiko matuotojų darbą.
Šiuo metu Žemė sukasi maždaug 2 milisekundėmis per 100 metų.
Dienos trukmės svyravimai taip pat siekia tūkstantąsias sekundės dalis. Todėl Grinvičo laiko tikslumas (paprastai priimtas kaip pasaulinis standartas nuo 1884 m.) tapo nepakankamas. 1967 metais įvyko perėjimas prie atominio laiko etalono.
Šiandien sekundė yra laikotarpis, tiksliai lygus 9 192 631 770 spinduliavimo periodų, o tai atitinka perėjimą tarp dviejų itin smulkių Cezio 133 atomo pagrindinės būsenos lygių.
Šiuo metu kaip laiko skalė naudojamas koordinuotasis pasaulinis laikas. Jį sudaro Tarptautinis svorių ir matų biuras, sujungdamas įvairių šalių laiko saugojimo laboratorijų duomenis, taip pat Tarptautinės Žemės sukimosi tarnybos duomenis. Jo tikslumas yra beveik milijoną kartų didesnis nei astronominis Grinvičo laikas.
Sukurta technologija, kuri radikaliai sumažins itin tikslių atominių laikrodžių dydį ir kainą, todėl bus galima juos plačiai naudoti mobiliuosius įrenginius pats įvairiems tikslams. Mokslininkai sugebėjo sukurti itin mažo dydžio atominį laiko etaloną. Tokie atominiai laikrodžiai sunaudoja mažiau nei 0,075 W, o jų paklaida neviršija vienos sekundės per 300 metų.
Tyrimo grupė JAV pavyko sukurti itin kompaktišką atominį standartą. Atominius laikrodžius tapo įmanoma maitinti iš įprastų AA baterijų. Itin tikslūs atominiai laikrodžiai, paprastai bent metro aukščio, buvo patalpinti į 1,5x1,5x4 mm tūrį
JAV buvo sukurtas eksperimentinis atominis laikrodis, pagrįstas vienu gyvsidabrio jonu. Jie yra penkis kartus tikslesni nei cezis, priimtas kaip tarptautinis standartas. Cezio laikrodžiai yra tokie tikslūs, kad prireiks 70 milijonų metų, kad būtų pasiektas vienos sekundės neatitikimas, o gyvsidabrio laikrodžiams šis laikotarpis bus 400 milijonų metų.
1982 metais naujas astronominis objektas – milisekundės pulsaras – įsikišo į ginčą tarp astronominio laiko etalono apibrėžimo ir jį laimėjusio atominio laikrodžio. Šie signalai yra tokie pat stabilūs, kaip ir geriausi atominiai laikrodžiai
Ar tu žinai?
Pirmieji laikrodžiai Rusijoje
1412 m. Maskvoje didžiojo kunigaikščio kieme už Apreiškimo bažnyčios buvo pastatytas laikrodis, kurį pagamino iš serbų krašto kilęs serbų vienuolis Lazaras. Deja, šių pirmųjų Rusijos laikrodžių aprašymo neišliko.
________Kaip skambantis laikrodis atsirado Maskvos Kremliaus Spasskaya bokšte?
XVII amžiuje anglas Christopheris Galloway'us pagamino varpelius Spasskaya bokštui: valandos apskritimas buvo padalintas į 17 sektorių, vienintelė laikrodžio rodyklė buvo nejudanti, nukreipta žemyn ir nukreipta į kokį nors skaičių ciferblate, tačiau pats ciferblatas sukasi.
Atominiai laikrodžiai yra tiksliausi laiko matavimo prietaisai, kurie egzistuoja šiandien ir tampa vis labiau didesnę vertę su plėtra ir sudėtingumu šiuolaikinės technologijos.
Veikimo principas
Atominiai laikrodžiai tikslų laiką išlaiko ne dėl radioaktyvaus skilimo, kaip galėtų suprasti jų pavadinimas, o dėl branduolių ir juos supančių elektronų virpesių. Jų dažnį lemia branduolio masė, gravitacija ir elektrostatinis „balansas“ tarp teigiamai įkrauto branduolio ir elektronų. Tai ne visai atitinka įprastą laikrodžio mechanizmą. Atominiai laikrodžiai yra patikimesni laiko fiksatoriai, nes jų svyravimai nesikeičia priklausomai nuo tokių veiksnių aplinką, pvz., drėgmė, temperatūra ar slėgis.
Atominių laikrodžių evoliucija
Bėgant metams mokslininkai suprato, kad atomai turi rezonansinius dažnius, susijusius su kiekvieno jų gebėjimu absorbuoti ir spinduliuoti. elektromagnetinė radiacija. 1930-aisiais ir 1940-aisiais buvo sukurta aukšto dažnio ryšių ir radarų įranga, galinti susieti su atomų ir molekulių rezonanso dažniais. Tai prisidėjo prie laikrodžio idėjos.
Pirmieji egzemplioriai buvo pagaminti 1949 m Nacionalinis institutas standartus ir technologijas (NIST). Amoniakas buvo naudojamas kaip vibracijos šaltinis. Tačiau jie nebuvo daug tikslesni už esamą laiko standartą, o cezis buvo naudojamas kitoje kartoje.
Naujas standartas
Laiko matavimo tikslumo pokytis buvo toks didelis, kad 1967 m. Generalinė svorių ir matų konferencija apibrėžė SI sekundę kaip 9 192 631 770 cezio atomo virpesių jo rezonansiniu dažniu. Tai reiškė, kad laikas nebėra susijęs su Žemės judėjimu. Stabiliausias pasaulyje atominis laikrodis buvo sukurtas 1968 m. ir buvo naudojamas kaip NIST laiko matavimo sistemos dalis iki 1990 m.
Tobulinamasis automobilis
Vienas iš naujausi pasiekimaišioje srityje yra aušinimas lazeriu. Tai pagerino signalo ir triukšmo santykį ir sumažino laikrodžio signalo neapibrėžtumą. Šiai aušinimo sistemai ir kitai cezio laikrodžiams tobulinti naudojamai įrangai patalpinti reikėtų vietos, prilygsta geležinkelio vagonui, nors komercinės versijos galėtų tilpti į lagaminą. Viena iš šių laboratorinių įrenginių laiko laiką Boulderyje, Kolorado valstijoje, ir yra tiksliausias laikrodis Žemėje. Jie klysta tik 2 nanosekundėmis per dieną arba 1 sekunde per 1,4 milijono metų.
Sudėtinga technologija
Šis didžiulis tikslumas yra komplekso rezultatas technologinis procesas. Pirmiausia skystas cezis dedamas į krosnį ir kaitinamas, kol virsta dujomis. Metalo atomai dideliu greičiu išeina per mažą krosnies angą. Dėl elektromagnetų jie suskaidomi į atskirus skirtingos energijos pluoštus. Reikiamas spindulys praeina per U formos skylę, o atomai apšvitinami mikrobangų energija, kurios dažnis yra 9 192 631 770 Hz. Dėl to jie susijaudina ir pereina į kitokią energijos būseną. Tada magnetinis laukas išfiltruoja kitas atomų energijos būsenas.
Detektorius reaguoja į cezį ir rodo maksimumą ties teisinga vertė dažnius. Tai reikalinga sąrankai kristalinis osciliatorius, kuris valdo laiko mechanizmą. Jo dažnį padalijus iš 9.192.631.770, gaunamas vienas impulsas per sekundę.
Ne tik cezis
Nors dažniausiai naudojami atominiai laikrodžiai naudoja cezio savybes, yra ir kitų tipų. Jie skiriasi naudojamu elementu ir energijos lygio pokyčių nustatymo priemonėmis. Kitos medžiagos yra vandenilis ir rubidis. Vandenilio atominiai laikrodžiai veikia panašiai kaip cezio laikrodžiai, tačiau jiems reikalingas indas su sienelėmis iš specialios medžiagos, kuri neleidžia atomams per greitai prarasti energijos. Rubidium laikrodžiai yra patys paprasčiausi ir kompaktiškiausi. Juose rubidžio dujomis užpildyta stiklo ląstelė, veikiama itin aukšto dažnio, keičia šviesos sugertį.
Kam reikia tikslaus laiko?
Šiandien laiką galima išmatuoti itin tiksliai, bet kodėl tai svarbu? Tai būtina tokiose sistemose kaip Mobilieji telefonai, internetas, GPS, aviacijos programos ir skaitmeninė televizija. Iš pirmo žvilgsnio tai nėra akivaizdu.
Pavyzdys, kaip naudojamas tikslus laikas, yra paketų sinchronizavimas. Tūkstančiai telefono skambučių praeina per vidutinę ryšio liniją. Tai įmanoma tik todėl, kad pokalbis neperduodamas iki galo. Telekomunikacijų bendrovė ją skirsto į mažos pakuotės ir net pasigenda kai kurios informacijos. Tada jie praeina per liniją kartu su kitų pokalbių paketais ir atkuriami kitame gale be maišymo. Telefono stoties laikrodžio sistema gali nustatyti, kurie paketai priklauso tam tikram pokalbiui pagal tikslų informacijos išsiuntimo laiką.
GPS
Kitas tikslaus laiko įgyvendinimas yra pasaulinė padėties nustatymo sistema. Jį sudaro 24 palydovai, kurie perduoda savo koordinates ir laiką. Bet kuris GPS imtuvas gali prisijungti prie jų ir palyginti transliacijos laiką. Skirtumas leidžia vartotojui nustatyti savo vietą. Jei šie laikrodžiai nebūtų labai tikslūs, GPS sistema būtų nepraktiška ir nepatikima.
Tobulumo riba
Tobulėjant technologijoms ir atominiams laikrodžiams, išryškėjo Visatos netikslumai. Žemė juda netolygiai, sukeldama atsitiktinius metų ir dienų trukmės pokyčius. Anksčiau šie pokyčiai būtų buvę nepastebėti, nes laiko matavimo įrankiai buvo pernelyg netikslūs. Tačiau, tyrėjų ir mokslininkų nusivylimui, atominių laikrodžių laikas turi būti pakoreguotas, kad būtų kompensuojamos anomalijas. realus pasaulis. Tai nuostabūs įrankiai, padedantys tobulinti šiuolaikines technologijas, tačiau jų tobulumą riboja pačios gamtos nustatytos ribos.
