Vitin e kaluar, 2012, u bënë dyzet e pesë vjet që kur njerëzimi vendosi të përdorte matjen e kohës atomike për të matur kohën sa më saktë që të ishte e mundur. Në 1967, kategoria ndërkombëtare e kohës pushoi së përcaktuari nga shkallët astronomike - ato u zëvendësuan nga standardi i frekuencës së ceziumit. Ishte ai që mori emrin tani popullor - orët atomike. Koha e saktë që ju lejojnë të përcaktoni ka një gabim të parëndësishëm prej një sekonde në tre milionë vjet, gjë që i lejon ato të përdoren si standard kohor në çdo cep të botës.
Pak histori
Vetë ideja e përdorimit të dridhjeve atomike për matjen e kohës ultra të saktë u shpreh për herë të parë në 1879 nga fizikani britanik William Thomson. Në rolin e emetuesit të atomeve rezonatore, ky shkencëtar propozoi përdorimin e hidrogjenit. Përpjekjet e para për të zbatuar idenë u bënë vetëm në vitet 1940. shekulli i njëzetë. Dhe ora e parë atomike e punës në botë u shfaq në 1955 në MB. Krijuesi i tyre ishte fizikani eksperimental britanik Dr. Louis Essen. Kjo orë funksiononte në bazë të dridhjeve të atomeve të cezium-133 dhe falë tyre, shkencëtarët më në fund arritën të masin kohën me saktësi shumë më të madhe se më parë. Pajisja e parë e Essen lejoi një gabim jo më shumë se një sekondë për çdo njëqind vjet, por më pas u rrit shumë herë dhe gabimi për sekondë mund të grumbullohet vetëm në 2-3 qindra miliona vjet.
Ora atomike: si funksionon
Si funksionon kjo “pajisje” e zgjuar? Si gjenerator i frekuencave rezonante, orët atomike përdorin molekula ose atome në nivelin kuantik. vendos lidhjen e sistemit " bërthama atomike- elektrone" me disa nivele diskrete të energjisë. Nëse një sistem i tillë preket me një frekuencë të specifikuar rreptësisht, atëherë ky sistem do të largohet nivel i ulët te larte. Procesi i kundërt është gjithashtu i mundur: kalimi i një atomi nga më shumë nivel të lartë të ulëta, të shoqëruara nga emetimi i energjisë. Këto dukuri mund të kontrollohen dhe regjistrohen të gjitha kërcimet e energjisë duke krijuar diçka si një qark oshilator (quhet edhe një oshilator atomik). Frekuenca e saj rezonante do të korrespondojë me diferencën e energjisë midis niveleve fqinje të tranzicionit atomik, pjesëtuar me konstantën e Planck-ut.
Një qark i tillë oscilues ka përparësi të pamohueshme ndaj paraardhësve të tij mekanikë dhe astronomikë. Për një oshilator të tillë atomik, frekuenca rezonante e atomeve të çdo substance do të jetë e njëjtë, gjë që nuk mund të thuhet për lavjerrësit dhe piezokristalet. Përveç kësaj, atomet nuk i ndryshojnë vetitë e tyre me kalimin e kohës dhe nuk konsumohen. Prandaj, orët atomike janë jashtëzakonisht të sakta dhe kronometër pothuajse të përjetshëm.
Koha e saktë dhe teknologjitë moderne
Rrjetet e telekomunikacionit, komunikimet satelitore, GPS, serverët NTP, transaksionet elektronike në bursë, ankandet në internet, procedura e blerjes së biletave përmes internetit - të gjitha këto dhe shumë fenomene të tjera janë vendosur fort prej kohësh në jetën tonë. Por nëse njerëzimi nuk do të kishte shpikur orën atomike, e gjithë kjo thjesht nuk do të kishte ndodhur. Koha e saktë, sinkronizimi me të cilin ju lejon të minimizoni çdo gabim, vonesë dhe vonesë, i mundëson një personi të përfitojë sa më shumë nga ky burim i paçmuar i pazëvendësueshëm, i cili nuk është kurrë i tepërt.
, Galileo) janë të pamundura pa orët atomike. Orët atomike përdoren gjithashtu në sistemet e telekomunikacionit satelitor dhe tokësor, duke përfshirë stacionet bazë komunikimet celulare, zyra ndërkombëtare dhe kombëtare të standardeve dhe shërbimeve kohore, të cilat transmetojnë periodikisht sinjale kohore me radio.
Pajisja e orës
Ora përbëhet nga disa pjesë:
- Diskriminues kuantik,
- kompleks elektronik.
Qendrat Kombëtare të Standardeve të Frekuencave
Shumë vende kanë formuar qendra kombëtare për standardet e kohës dhe frekuencës:
- (VNIIFTRI), fshati Mendeleevo, rajoni i Moskës;
- (NIST), Boulder (SHBA, Kolorado);
- Instituti Kombëtar i Shkencës dhe Teknologjisë Industriale të Avancuar (AIST), Tokio (Japoni);
- Agjencia Federale Fizike dhe Teknike (gjermanisht)(PTB), Braunschweig (Gjermani);
- Laboratori Kombëtar i Metrologjisë dhe Testimit (fr.)(LNE), Paris (Francë).
- Laboratori Kombëtar Fizik i Mbretërisë së Bashkuar (NPL), Londër, MB.
Shkencëtarët vende të ndryshme puna për përmirësimin e orëve atomike dhe standardet kryesore shtetërore të kohës dhe frekuencës bazuar në to, saktësia e orëve të tilla po rritet vazhdimisht. Në Rusi, po kryhen kërkime të gjera që synojnë përmirësimin e karakteristikave të orëve atomike.
Llojet e orëve atomike
Jo çdo atom (molekulë) është i përshtatshëm si diskriminues për orët atomike. Zgjidhni atome që janë të pandjeshme ndaj të ndryshmeve ndikimet e jashtme: magnetike, elektrike dhe fushat elektromagnetike. Atome të tilla ka në çdo gamë të spektrit të rrezatimit elektromagnetik. Këto janë: atomet e kalciumit, rubidiumit, ceziumit, stronciumit, molekulat e hidrogjenit, jodit, metanit, oksidit të osmiumit(VIII) etj. Si standard i frekuencës kryesore (primare) u zgjodh tranzicioni hiperfin i atomit të ceziumit. Karakteristikat e të gjitha standardeve të tjera (sekondare) krahasohen me këtë standard. Për të bërë një krahasim të tillë, aktualisht përdoren të ashtuquajturat krehje optike. (anglisht)- rrezatimi me një spektër të gjerë frekuence në formën e linjave të barabarta, distanca ndërmjet të cilave është e lidhur me standardin e frekuencës atomike. Krehërat optikë përftohen duke përdorur një lazer femtosekondë të mbyllur me modalitet dhe fibër mikrostrukturore, në të cilën spektri zgjerohet në një oktavë.
Në vitin 2006, studiues nga Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë i SHBA-së, të udhëhequr nga Jim Bergquist (eng. Jim Bergquist) zhvilluan një orë me një atom. Gjatë kalimit midis niveleve të energjisë së jonit të merkurit, fotonet e diapazonit të dukshëm gjenerohen me një stabilitet 5 herë më të lartë se rrezatimi i mikrovalës i cezium-133. Ora e re mund të gjejë aplikim edhe në studimet e varësisë së konstanteve themelore fizike nga koha. Që nga prilli 2015, ora më e saktë atomike është ndërtuar në Institutin Kombëtar të Standardeve dhe Teknologjisë në SHBA. Gabimi ishte vetëm një sekondë në 15 miliardë vjet. Si një nga aplikimet e mundshme orë, u tregua gjeodezia relativiste, ideja kryesore e së cilës është përdorimi i një rrjeti orësh si sensorë të gravitetit, i cili do të ndihmojë për të bërë matje tredimensionale tepër të detajuara të formës së Tokës.
Zhvillimi aktiv i orëve kompakte atomike për përdorim në Jeta e përditshme (Orë dore, pajisje celulare). Në fillim të vitit 2011, një kompani amerikane Simetrike njoftoi lëshimin komercial të një ore atomike cezium në madhësinë e një çipi të vogël. Ora funksionon në bazë të efektit të bllokimit koherent të popullsisë. Stabiliteti i tyre është 5 10 -11 në orë, pesha - 35 g, konsumi i energjisë - 115 mW.
Shënime
- Është vendosur rekord i ri për saktësinë e orës atomike (e pacaktuar) . Membrana (5 shkurt 2010). Marrë më 4 mars 2011. Arkivuar nga origjinali më 9 shkurt 2012.
- Këto frekuenca janë tipike për rezonatorët e saktë të kuarcit, me faktorin më të lartë të cilësisë dhe stabilitetin e frekuencës që mund të arrihet duke përdorur efektin piezoelektrik. Në përgjithësi, oshilatorët kristal përdoren në frekuenca nga disa kHz deri në disa qindra MHz. ( Altshuller G. B., Elfimov N. N., Shakulin V. G. Oscilatorët kristal: Një udhëzues referimi. - M.: Radio dhe komunikim, 1984. - S. 121, 122. - 232 f. - 27,000 kopje.)
- N. G. Basov dhe V. S. Letokhov Standardet e frekuencës optike. // UFN. - 1968. - T. 96, nr. 12.
- Laboratorët kombëtarë të metrologjisë. NIST, 3 shkurt 2011 (Marrë më 14 qershor 2011)
- Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Ora optike me një atom me saktësi të lartë // Fiz. Rev. Lett. . - American Physical Society, 4 korrik 2006. - Vol. 97, nr. 2. -
Një ndjesi është përhapur në mbarë botën shkencore - koha po avullohet nga Universi ynë! Deri më tani, kjo është vetëm një hipotezë e astrofizikanëve spanjollë. Por fakti që rrjedha e kohës në Tokë dhe në hapësirë është e ndryshme është vërtetuar tashmë nga shkencëtarët. Koha rrjedh më ngadalë nën ndikimin e gravitetit, duke u përshpejtuar ndërsa largoheni nga planeti. Detyra e sinkronizimit të kohës tokësore dhe kozmike kryhet nga standardet e frekuencës së hidrogjenit, të cilat quhen edhe "orë atomike".
Koha e parë atomike u shfaq së bashku me ardhjen e astronautikës, orët atomike u shfaqën në mesin e viteve 1920. Tani orët atomike janë bërë të zakonshme, secili prej nesh i përdor ato çdo ditë: ato punojnë me komunikime dixhitale, GLONAS, navigacion dhe transport.
Pronarët e telefonave celularë vështirë se mendojnë se çfarë pune e veshtire në hapësirë kryhet për sinkronizim të ngushtë kohor, por po flasim vetëm për të miliontat e sekondës.
Standardi i saktë i kohës ruhet në rajonin e Moskës, në instituti shkencor matjet fiziko-teknike dhe radioteknike. Në botë ka 450 orë të tilla.
Rusia dhe SHBA janë monopolistë për orët atomike, por në SHBA orët punojnë në bazë të ceziumit, një metal radioaktiv shumë i dëmshëm për mjedisin dhe në Rusi, në bazë të hidrogjenit, një material më i qëndrueshëm.
Kjo orë nuk ka numërator dhe akrepa: duket si një fuçi e madhe e bërë nga metale të rralla dhe të vlefshme, e mbushur me teknologjitë më të avancuara - instrumente matëse dhe pajisje me precizion të lartë me standarde atomike. Procesi i krijimit të tyre është shumë i gjatë, kompleks dhe zhvillohet në kushte steriliteti absolut.
Për 4 vjet, ora e instaluar në satelitin rus ka studiuar energji e errët. Sipas standardeve njerëzore, ato humbasin saktësinë me 1 sekondë në shumë miliona vjet.
Shumë shpejt, një orë atomike do të instalohet në Spektr-M, një observator hapësinor që do të shohë se si formohen yjet dhe ekzoplanetet, duke parë nga skaji vrimë e zezë në qendër të galaktikës sonë. Sipas shkencëtarëve, për shkak të gravitetit monstruoz, koha rrjedh këtu aq ngadalë sa pothuajse ndalon.
tvroscosmos
Një shtysë e re në zhvillimin e pajisjeve për matjen e kohës dhanë fizikanët atomikë.
Në vitin 1949, u ndërtua ora e parë atomike, ku burimi i lëkundjeve nuk ishte një lavjerrës ose një oshilator kuarci, por sinjale të lidhura me tranzicioni kuantik një elektron ndërmjet dy niveleve energjetike të një atomi.
Në praktikë, orët e tilla rezultuan të mos ishin shumë të sakta, për më tepër, ato ishin të mëdha dhe të shtrenjta dhe nuk përdoreshin gjerësisht. Më pas u vendos që t'i drejtohej element kimik- cezium. Dhe në 1955, u shfaq ora e parë atomike e bazuar në atomet e ceziumit.
Në vitin 1967, u vendos të kalonte në standardin e kohës atomike, pasi rrotullimi i Tokës po ngadalësohet dhe madhësia e këtij ngadalësimi nuk është konstante. Kjo pengoi shumë punën e astronomëve dhe rojeve të Kohës.
Toka aktualisht rrotullohet me një shpejtësi prej rreth 2 milisekonda në 100 vjet.
Luhatjet në kohëzgjatjen e ditës arrijnë edhe në të mijëtat e sekondës. Prandaj, saktësia e kohës mesatare të Greenwich (standard botëror që nga viti 1884) është bërë e pamjaftueshme. Në vitin 1967, ndodhi kalimi në standardin e kohës atomike.
Sot, një sekondë është një periudhë kohore saktësisht e barabartë me 9,192,631,770 periudha rrezatimi, që korrespondon me kalimin midis dy niveleve hiperfine të gjendjes bazë të atomit të Ceziumit 133.
Për momentin, Koha e Koordinuar Universale përdoret si shkallë kohore. Ai është formuar nga Byroja Ndërkombëtare e Peshave dhe Masave duke kombinuar të dhëna nga laboratorët e matjes së kohës të vendeve të ndryshme, si dhe të dhëna nga Shërbimi Ndërkombëtar i Rrotullimit të Tokës. Saktësia e tij është pothuajse një milion herë më e mirë se koha mesatare astronomike e Greenwich-it.
Është zhvilluar një teknologji që do të bëjë të mundur uljen rrënjësore të madhësisë dhe kostos së orëve atomike ultra precize, gjë që do të bëjë të mundur përdorimin e gjerë të tyre në pajisje celulare shumica për qëllime të ndryshme. Shkencëtarët ishin në gjendje të krijonin një standard kohor atomik me përmasa ultra të vogla. Orë të tilla atomike konsumojnë më pak se 0,075 W dhe kanë një gabim jo më shumë se një sekondë në 300 vjet.
Grupi hulumtues Shtetet e Bashkuara arritën të krijojnë një standard atomik ultra-kompakt. U bë e mundur fuqizimi i orëve atomike nga bateritë konvencionale AA. Orë atomike jashtëzakonisht të sakta, zakonisht të paktën një metër të larta, vendoseshin në një vëllim prej 1.5x1.5x4 mm
Një orë atomike eksperimentale e bazuar në një jon të vetëm merkuri është zhvilluar në Shtetet e Bashkuara. Ato janë pesë herë më të sakta se ceziumi, i cili pranohet si standard ndërkombëtar. Orët e ceziumit janë aq të sakta sa diferenca prej një sekonde do të arrihet vetëm pas 70 milionë vjetësh, dhe për orët me merkur kjo periudhë do të jetë 400 milionë vjet.
Në vitin 1982, një objekt i ri astronomik, një pulsar milisekonda, ndërhyri në mosmarrëveshjen midis përkufizimit astronomik të standardit të kohës dhe orës atomike që e fitoi atë. Këto sinjale janë po aq të qëndrueshme sa orët më të mira atomike
A e dinit?
Ora e parë në Rusi
Në vitin 1412, në Moskë u vendos një orë në oborrin e Dukës së Madhe pas kishës së Ungjillit dhe i bëri Llazari, një murg serb i ardhur nga toka serbe. Fatkeqësisht, përshkrimi i këtyre orëve të para në Rusi nuk është ruajtur.
________Si u shfaqën tingujt në Kullën Spasskaya të Kremlinit të Moskës?
Në shekullin e 17-të, anglezi Christopher Galovey bëri zile për Kullën Spasskaya: rrethi i orës u nda në 17 sektorë, e vetmja akrep i orës ishte i palëvizshëm, duke treguar poshtë dhe duke treguar çdo numër në numërues, por numri vetë rrotullohej.
Orët atomike janë instrumentet më të sakta të matjes së kohës që ekzistojnë sot dhe po bëhen gjithnjë e më popullore. vlerë më të madhe me zhvillim dhe ndërlikim teknologjive moderne.
Parimi i funksionimit
Orët atomike mbajnë kohën e saktë jo për shkak të kalbjes radioaktive, siç mund të duket nga emri i tyre, por duke përdorur dridhjet e bërthamave dhe elektroneve që i rrethojnë. Frekuenca e tyre përcaktohet nga masa e bërthamës, graviteti dhe "balancuesi" elektrostatik midis bërthamës së ngarkuar pozitivisht dhe elektroneve. Nuk përputhet plotësisht me orarin e zakonshëm. Orët atomike janë ruajtës më të besueshëm të kohës, sepse luhatjet e tyre nuk ndryshojnë në varësi të faktorëve të tillë. mjedisi si lagështia, temperatura ose presioni.
Evolucioni i orëve atomike
Me kalimin e viteve, shkencëtarët kanë kuptuar se atomet kanë frekuenca rezonante të lidhura me aftësinë e secilit për të absorbuar dhe emetuar rrezatimi elektromagnetik. Në vitet 1930 dhe 1940, komunikimet me frekuencë të lartë dhe pajisjet e radarit u zhvilluan që mund të ndërveprojnë me frekuencat e rezonancës së atomeve dhe molekulave. Kjo kontribuoi në idenë e orës.
Kopjet e para u ndërtuan në vitin 1949 Instituti Kombëtar standardet dhe teknologjitë (NIST). Amoniaku u përdor si një burim vibrimi. Megjithatë, ato nuk ishin shumë më të sakta se standardi ekzistues i kohës, dhe ceziumi u përdor në gjeneratën e ardhshme.
standard i ri
Ndryshimi në saktësinë e kohës ishte aq i madh sa në 1967 Konferenca e Përgjithshme mbi Peshat dhe Masat e përcaktoi SI të dytën si 9,192,631,770 dridhje të një atomi ceziumi në frekuencën e tij rezonante. Kjo do të thoshte se koha nuk ishte më e lidhur me lëvizjen e Tokës. Ora atomike më e qëndrueshme në botë u krijua në vitin 1968 dhe u përdor si pjesë e sistemit të referencës së kohës NIST deri në vitet 1990.
Makinë përmirësuese
Nje nga arritjet e fundit në këtë zonë është ftohja me lazer. Kjo përmirësoi raportin sinjal-zhurmë dhe zvogëloi pasigurinë në sinjalin e orës. Ky sistem ftohjeje dhe pajisje të tjera të përdorura për të përmirësuar orën e ceziumit do të kërkonin hapësirë sa një makinë hekurudhore për ta vendosur atë, megjithëse opsionet komerciale mund të futen në një valixhe. Një nga këto objekte laboratorike mban kohën në Boulder, Kolorado, dhe është ora më e saktë në Tokë. Ata gabojnë vetëm 2 nanosekonda në ditë, ose 1 sekondë në 1.4 milionë vjet.
Teknologji e sofistikuar
Kjo saktësi e jashtëzakonshme është rezultat i kompleksit procesi teknologjik. Para së gjithash, ceziumi i lëngshëm vendoset në një furrë dhe nxehet derisa të kthehet në gaz. Atomet metalike dalin me shpejtësi të madhe përmes një vrime të vogël në furre. Elektromagnetët bëjnë që ato të ndahen në rreze të veçanta me energji të ndryshme. Rrezja e kërkuar kalon nëpër vrimën në formë U, dhe atomet ekspozohen ndaj energjisë së mikrovalës me një frekuencë prej 9.192.631.770 Hz. Për shkak të kësaj, ata janë të ngazëllyer dhe kalojnë në një gjendje tjetër energjie. Fusha magnetike filtron më pas gjendjet e tjera energjetike të atomeve.
Detektori i përgjigjet ceziumit dhe tregon një maksimum në kuptimi i saktë frekuencave. Kjo kërkohet për të vendosur oshilator kristal, i cili kontrollon mekanizmin e kohës. Duke pjesëtuar frekuencën e tij me 9.192.631.770 jepet një puls për sekondë.
Jo vetëm cezium
Megjithëse orët atomike më të zakonshme përdorin vetitë e ceziumit, ka edhe lloje të tjera. Ato ndryshojnë në elementin e aplikuar dhe mjetet e përcaktimit të ndryshimit të nivelit të energjisë. Materiale të tjera janë hidrogjeni dhe rubidiumi. Orët atomike të hidrogjenit funksionojnë si orët e ceziumit, por kërkojnë një enë me mure të bërë nga një material i veçantë që parandalon që atomet të humbasin energjinë shumë shpejt. Orët Rubidium janë më të thjeshtat dhe më kompaktet. Në to, një qelizë qelqi e mbushur me rubidium të gaztë ndryshon thithjen e dritës kur ekspozohet ndaj frekuencës së mikrovalës.
Kush ka nevojë për kohën e saktë?
Sot, koha mund të llogaritet me saktësi ekstreme, por pse është e rëndësishme kjo? Kjo është e nevojshme në sisteme të tilla si Telefonat celular, internet, GPS, programe aviacioni dhe televizioni dixhital. Në shikim të parë, kjo nuk është e qartë.
Një shembull se si përdoret koha e saktë është sinkronizimi i paketave. Mijëra telefonata kalojnë në vijën e mesme. Kjo është e mundur vetëm sepse biseda nuk transmetohet plotësisht. Kompania e telekomunikacionit e ndan atë në pako të vogla dhe madje anashkalon disa nga informacionet. Më pas kalojnë nëpër linjë së bashku me pako bisedash të tjera dhe rikthehen në skajin tjetër pa u përzier. Sistemi i orës së shkëmbimit telefonik mund të përcaktojë se cilat pako i përkasin një bisede të caktuar në kohën e saktë të dërgimit të informacionit.
GPS
Një zbatim tjetër i kohës së saktë është sistemi i pozicionimit global. Ai përbëhet nga 24 satelitë që transmetojnë koordinatat dhe kohën e tyre. Çdo marrës GPS mund të lidhet me ta dhe të krahasojë kohët e transmetimit. Dallimi i lejon përdoruesit të përcaktojë vendndodhjen e tyre. Nëse këto orë nuk do të ishin shumë të sakta, atëherë sistemi GPS do të ishte jopraktik dhe jo i besueshëm.
Kufiri i perfeksionit
Me zhvillimin e teknologjisë dhe orëve atomike u bënë të dukshme pasaktësitë e universit. Toka lëviz në mënyrë të pabarabartë, gjë që çon në luhatje të rastësishme në gjatësinë e viteve dhe ditëve. Në të kaluarën, këto ndryshime do të kishin kaluar pa u vënë re sepse mjetet e matjes së kohës ishin shumë të pasakta. Megjithatë, për shumë zhgënjimin e studiuesve dhe shkencëtarëve, koha e orëve atomike duhet të rregullohet për të kompensuar anomalitë. botën reale. Ato janë mjete të mahnitshme për avancimin e teknologjisë moderne, por përsosja e tyre është e kufizuar nga kufijtë e vendosur nga vetë natyra.
