Förra året, 2012, var det fyrtiofem år sedan mänskligheten bestämde sig för att använda atomär tidtagning för att mäta tiden så exakt som möjligt. 1967 upphörde den internationella tidskategorin att bestämmas av astronomiska skalor - de ersattes av cesiumfrekvensstandarden. Det var han som fick det nu populära namnet - atomur. Den exakta tiden de tillåter att bestämma har ett obetydligt fel på en sekund per tre miljoner år, vilket gör att de kan användas som en tidsstandard i alla hörn av världen.
Lite historia
Själva idén med att använda atomvibrationer för ultraprecis mätning av tid uttrycktes först 1879 av den brittiske fysikern William Thomson. Denna forskare föreslog att använda väte som en utsändare av resonatoratomer. De första försöken att omsätta idén i praktiken gjordes först på 40-talet. tjugonde århundradet. Världens första fungerande atomur dök upp 1955 i Storbritannien. Deras skapare var den brittiske experimentfysikern Dr Louis Essen. Dessa klockor fungerade baserat på vibrationer av cesium-133-atomer, och tack vare dem kunde forskare äntligen mäta tid med mycket större noggrannhet än tidigare. Essens första enhet tillät ett fel på inte mer än en sekund för vart hundra år, men därefter ökade det många gånger och felet per sekund kan bara ackumuleras på 2-3 hundra miljoner år.
Atomklocka: funktionsprincip
Hur fungerar denna smarta "enhet"? Atomklockor använder molekyler eller atomer på kvantnivå som en resonansfrekvensgenerator. upprättar systemanslutning atomkärnan- elektroner" med flera diskreta energinivåer. Om ett sådant system påverkas med en strikt specificerad frekvens, kommer detta system att övergå från låg nivå för högt. Den omvända processen är också möjlig: övergången av en atom från mer hög nivå till låg, åtföljd av energiutsläpp. Dessa fenomen kan kontrolleras och alla energihopp kan registreras genom att skapa något som en oscillerande krets (även kallad en atomoscillator). Dess resonansfrekvens kommer att motsvara energiskillnaden mellan närliggande atomära övergångsnivåer, dividerat med Plancks konstant.
En sådan oscillerande krets har obestridliga fördelar jämfört med sina mekaniska och astronomiska föregångare. För en sådan atomoscillator kommer resonansfrekvensen för atomerna av något ämne att vara densamma, vilket inte kan sägas om pendlar och piezokristaller. Dessutom ändrar atomer inte sina egenskaper över tiden och slits inte ut. Därför är atomklockor extremt exakta och praktiskt taget eviga kronometrar.
Exakt tid och modern teknik
Telekommunikationsnätverk, satellitkommunikation, GPS, NTP-servrar, elektroniska transaktioner på börsen, internetauktioner, förfarandet för att köpa biljetter via Internet - alla dessa och många andra fenomen har länge varit fast etablerade i våra liv. Men om mänskligheten inte hade uppfunnit atomklockor, skulle allt detta helt enkelt inte ha hänt. Exakt tid, synkronisering med vilken gör att du kan minimera eventuella fel, förseningar och förseningar, gör att en person kan få ut det mesta av denna ovärderliga oersättliga resurs, som det aldrig finns för mycket av.
, Galileo) är omöjliga utan atomur. Atomklockor används också i satellit- och markbundna telekommunikationssystem, inklusive basstationer mobil kommunikation, internationella och nationella standardiseringsbyråer och tidstjänster, som periodiskt sänder tidssignaler via radio.
Klockenhet
Klockan består av flera delar:
- kvantdiskriminator,
- elektronikkomplex.
National Frequency Standards Centers
Många länder har bildat nationella tids- och frekvensstandardcenter:
- (VNIIFTRI), byn Mendeleevo, Moskva-regionen;
- (NIST), Boulder (USA, Colorado);
- National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tokyo (Japan);
- Federal Physical and Technical Agency (Tysk)(PTB), Braunschweig (Tyskland);
- National Laboratory of Metroology and Testing (franska)(LNE), Paris (Frankrike).
- UK National Physical Laboratory (NPL), London, Storbritannien.
Forskare olika länder arbetar med att förbättra atomur och ange primära standarder för tid och frekvens baserat på dem; noggrannheten hos sådana klockor ökar stadigt. I Ryssland bedrivs omfattande forskning som syftar till att förbättra prestandan hos atomur.
Typer av atomur
Inte varje atom (molekyl) är lämplig som diskriminator för en atomklocka. Välj atomer som är okänsliga för olika yttre påverkan: magnetiska, elektriska och elektromagnetiska fält. Det finns sådana atomer inom alla områden av det elektromagnetiska strålningsspektrumet. Dessa är: atomer av kalcium, rubidium, cesium, strontium, molekyler av väte, jod, metan, osmium(VIII)oxid, etc. Den hyperfina övergången av cesiumatomen valdes som huvud(primär) frekvensstandard. Prestanda för alla andra (sekundära) standarder jämförs med denna standard. För att göra en sådan jämförelse används för närvarande så kallade optiska kammar. (Engelsk)- strålning med ett brett frekvensspektrum i form av ekvidistanta linjer, vars avstånd är knutet till atomfrekvensstandarden. Optiska kammar produceras med hjälp av en lägeslåst femtosekundlaser och mikrostrukturerad optisk fiber, där spektrumet breddas till en oktav.
År 2006 utvecklade forskare från American National Institute of Standards and Technology, ledd av Jim Bergquist, en klocka som arbetar på en enda atom. Övergångar mellan energinivåer av kvicksilverjonen genererar fotoner i det synliga området med en stabilitet 5 gånger högre än mikrovågsstrålningen av cesium-133. Den nya klockan kan också komma till användning i studier av beroendet av förändringar i grundläggande fysiska konstanter på tid. Från och med april 2015 var de mest exakta atomklockorna de som skapats av US National Institute of Standards and Technology. Felet var bara en sekund på 15 miljarder år. Som en av möjliga tillämpningar Klockan indikerade relativistisk geodesi, vars huvudidé är att använda ett nätverk av klockor som gravitationssensorer, vilket kommer att hjälpa till att göra otroligt detaljerade tredimensionella mätningar av jordens form.
Aktiv utveckling av kompakta atomur för användning i Vardagsliv (armbandsur, Mobil enheter) . I början av 2011, ett amerikanskt företag Symmetricom tillkännagav den kommersiella lanseringen av en cesium atomklocka storleken på ett litet chip. Klockan fungerar baserat på effekten av en sammanhängande befolkningsfångst. Deras stabilitet är 5 10 -11 per timme, vikten är 35 g, strömförbrukningen är 115 mW.
Anteckningar
- Nytt rekord för atomklockans noggrannhet (odefinierad) . Membrana (5 februari 2010). Hämtad 4 mars 2011. Arkiverad 9 februari 2012.
- De angivna frekvenserna är typiska specifikt för precisionskvartsresonatorer, med högsta kvalitetsfaktor och frekvensstabilitet som kan uppnås när man använder den piezoelektriska effekten. I allmänhet används kvartsoscillatorer vid frekvenser från några kHz till flera hundra MHz. ( Altshuller G. B., Elfimov N. N., Shakulin V. G. Kristalloscillatorer: En referensguide. - M.: Radio och kommunikationer, 1984. - S. 121, 122. - 232 sid. - 27 000 exemplar.)
- N.G. Basov, V.S. Letokhov. Optiska frekvensstandarder. // UFN. - 1968. - T. 96, nr 12.
- Nationella metrologilaboratorier (engelska). NIST, 3 februari 2011 (Hämtad 14 juni 2011)
- Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Enatoms optisk klocka med hög noggrannhet // Fysisk. Varv. Lett. . - American Physical Society, 4 juli 2006. - Vol. 97, nr. 2. -
En sensation har spridit sig över den vetenskapliga världen - tiden fördunstar från vårt universum! Än så länge är detta bara en hypotes från spanska astrofysiker. Men det faktum att flödet av tid på jorden och i rymden är annorlunda har redan bevisats av forskare. Tiden flyter långsammare under påverkan av gravitationen och accelererar när den rör sig bort från planeten. Uppgiften att synkronisera jordisk och kosmisk tid utförs av vätefrekvensstandarder, som också kallas "atomklockor."
Den första atomtiden dök upp tillsammans med framväxten av astronautiken; atomklockor dök upp i mitten av 20-talet. Nuförtiden har atomklockor blivit en vardag, var och en av oss använder dem varje dag: digital kommunikation, GLONASS, navigering och transport fungerar med deras hjälp.
Mobiltelefonägare tänker knappt på vad hårt arbete i rymden utförs det för strikt tidssynkronisering, men vi talar om bara miljondelar av en sekund.
Den exakta tidsstandarden lagras i Moskva-regionen, i Vetenskapliga institutet fysisk-tekniska och radiotekniska mätningar. Det finns 450 sådana klockor i världen.
Ryssland och USA har monopol på atomur, men i USA arbetar klockor på cesium, en radioaktiv metall som är mycket skadlig för miljön, och i Ryssland, på basis av väte, ett säkrare, hållbart material.
Den här klockan har ingen urtavla eller visare: den ser ut som en stor tunna av sällsynta och värdefulla metaller, fylld med den mest avancerade tekniken - högprecisionsmätinstrument och utrustning med atomstandard. Processen för deras skapelse är mycket lång, komplex och äger rum under förhållanden av absolut sterilitet.
Sedan fyra år tillbaka har man studerat klockorna som är installerade på den ryska satelliten mörk energi. Med mänskliga standarder tappar de precision med 1 sekund under många miljoner år.
Mycket snart kommer atomklockor att installeras på Spektr-M - ett rymdobservatorium som kommer att se hur stjärnor och exoplaneter bildas, och titta bortom kanten svart hål i mitten av vår galax. Enligt forskare, på grund av den monstruösa gravitationen, flyter tiden så långsamt här att den nästan stannar.
tvroscosmos
En ny impuls i utvecklingen av apparater för att mäta tid gavs av atomfysiker.
1949 byggdes det första atomuret, där källan till svängningar inte var en pendel eller en kvartsoscillator, utan signaler förknippade med kvantövergång elektron mellan två energinivåer i en atom.
I praktiken visade sig sådana klockor inte vara särskilt exakta, dessutom var de skrymmande och dyra och användes inte i stor utsträckning. Då beslutades att ta kontakt kemiskt element- cesium. Och 1955 dök de första atomur baserade på cesiumatomer upp.
1967 beslutades det att byta till atomtidsstandarden, eftersom jordens rotation saktar ner och storleken på denna avmattning inte är konstant. Detta gjorde arbetet för astronomer och tidhållare mycket svårare.
Jorden roterar för närvarande med en hastighet av cirka 2 millisekunder per 100 år.
Svängningar i dygnets längd når också tusendelar av en sekund. Därför har noggrannheten i Greenwich Mean Time (allmänt accepterad som en global standard sedan 1884) blivit otillräcklig. 1967 skedde övergången till atomär tidsstandard.
Idag är en sekund en tidsperiod exakt lika med 9 192 631 770 strålningsperioder, vilket motsvarar övergången mellan två hyperfina nivåer i grundtillståndet för Cesium 133-atomen.
För närvarande används Coordinated Universal Time som tidsskala. Den bildas av International Bureau of Weights and Measures genom att kombinera data från tidslagringslaboratorier i olika länder, samt data från International Earth Rotation Service. Dess noggrannhet är nästan en miljon gånger högre än den astronomiska Greenwich Mean Time.
En teknik har utvecklats som radikalt kommer att minska storleken och kostnaderna för ultraprecisa atomur, vilket gör det möjligt att använda dem i stor utsträckning i Mobil enheter han själv för olika ändamål. Forskare kunde skapa en atomär tidsstandard av ultraliten storlek. Sådana atomklockor förbrukar mindre än 0,075 W och har ett fel på inte mer än en sekund på 300 år.
Forskningsgrupp USA lyckades skapa en ultrakompakt atomstandard. Det har blivit möjligt att driva atomur från vanliga AA-batterier. Ultraexakta atomur, vanligtvis minst en meter höga, placerades i en volym av 1,5x1,5x4 mm
En experimentell atomklocka baserad på en enda kvicksilverjon har utvecklats i USA. De är fem gånger mer exakta än cesium, vilket är accepterat som internationell standard. Cesiumklockor är så exakta att det kommer att ta 70 miljoner år för en avvikelse på en sekund att uppnås, medan för kvicksilverklockor kommer denna period att vara 400 miljoner år.
1982 ingrep ett nytt astronomiskt objekt - en millisekundspulsar - i tvisten mellan den astronomiska definitionen av tidsstandarden och atomuret som vann den. Dessa signaler är lika stabila som de bästa atomklockorna
Visste du?
De första klockorna i Ryssland
År 1412 i Moskva placerades en klocka på storhertigens innergård bakom bebådelsekyrkan, och den gjordes av Lazar, en serbisk munk som kom från det serbiska landet. Tyvärr har ingen beskrivning av dessa första klockor i Rus bevarats.
________Hur dök den ringande klockan upp på Spasskaya-tornet i Kreml i Moskva?
På 1600-talet gjorde engelsmannen Christopher Galloway klockspel för Spasskaya Tower: timcirkeln var uppdelad i 17 sektorer, den enda urvisaren var stillastående, riktad nedåt och pekade på något nummer på urtavlan, men själva urtavlan roterade.
Atomklockor är de mest exakta tidsmätinstrument som finns idag och blir allt fler högre värde med utveckling och komplexitet modern teknik.
Funktionsprincip
Atomklockor håller exakt tid inte tack vare radioaktivt sönderfall, som deras namn kan antyda, utan genom att använda vibrationer från kärnor och elektronerna som omger dem. Deras frekvens bestäms av kärnans massa, gravitationen och den elektrostatiska "balanseraren" mellan den positivt laddade kärnan och elektronerna. Detta motsvarar inte riktigt ett vanligt urverk. Atomklockor är mer pålitliga tidhållare eftersom deras svängningar inte ändras beroende på sådana faktorer miljö, såsom luftfuktighet, temperatur eller tryck.
Evolution av atomur
Under åren har forskare insett att atomer har resonansfrekvenser relaterade till var och ens förmåga att absorbera och avge elektromagnetisk strålning. På 1930- och 1940-talen utvecklades högfrekvent kommunikation och radarutrustning som kunde samverka med atomers och molekylers resonansfrekvenser. Detta bidrog till idén om en klocka.
De första exemplaren byggdes 1949 National Institute standarder och teknologier (NIST). Ammoniak användes som vibrationskälla. De var dock inte mycket mer exakta än den befintliga tidsstandarden, och cesium användes i nästa generation.
Ny standard
Förändringen i precisionen av tidsmätning var så stor att 1967 definierade generalkonferensen om vikter och mått SI-sekunden som 9 192 631 770 vibrationer av en cesiumatom vid dess resonansfrekvens. Detta innebar att tiden inte längre var relaterad till jordens rörelse. Världens mest stabila atomklocka skapades 1968 och användes som en del av NISTs tidtagningssystem fram till 1990-talet.
Förbättringsbil
En av senaste prestationerna i detta område är laserkylning. Detta förbättrade signal-brusförhållandet och minskade osäkerheten i klocksignalen. Att inhysa detta kylsystem och annan utrustning som används för att förbättra cesiumklockorna skulle kräva utrymme lika stor som en järnvägsvagn, även om kommersiella versioner skulle kunna passa i en resväska. En av dessa laboratorieinstallationer håller tiden i Boulder, Colorado, och är den mest exakta klockan på jorden. De har bara fel med 2 nanosekunder per dag, eller 1 sekund per 1,4 miljoner år.
Komplex teknik
Denna enorma precision är resultatet av komplex teknisk process. Först placeras flytande cesium i en ugn och värms tills det förvandlas till en gas. Metallatomerna kommer ut med hög hastighet genom en liten öppning i ugnen. Elektromagneter gör att de delas upp i separata strålar med olika energier. Den erforderliga strålen passerar genom ett U-format hål, och atomerna bestrålas med mikrovågsenergi med en frekvens på 9 192 631 770 Hz. Tack vare detta är de upphetsade och går in i ett annat energitillstånd. Magnetfältet filtrerar sedan bort andra energitillstånd hos atomerna.
Detektorn reagerar på cesium och visar ett maximum vid rätt värde frekvenser. Detta krävs för installationen kristalloscillator, som styr tidsmekanismen. Att dividera dess frekvens med 9.192.631.770 ger en puls per sekund.
Inte bara cesium
Även om de vanligaste atomklockorna använder egenskaperna hos cesium, finns det andra typer. De skiljer sig åt i det element som används och medlen för att bestämma förändringar i energinivån. Andra material är väte och rubidium. Väteatomklockor fungerar på samma sätt som cesiumklockor, men kräver en behållare med väggar gjorda av ett speciellt material som förhindrar att atomerna förlorar energi för snabbt. Rubidium klockor är de enklaste och mest kompakta. I dem ändrar en glascell fylld med rubidiumgas absorptionen av ljus när den utsätts för ultrahög frekvens.
Vem behöver exakt tid?
Idag kan tiden mätas med extrem precision, men varför är detta viktigt? Detta är nödvändigt i system som t.ex Mobiltelefoner, Internet, GPS, flygprogram och digital-tv. Vid första anblicken är detta inte självklart.
Ett exempel på hur exakt tid används är vid paketsynkronisering. Tusentals telefonsamtal passerar genom den genomsnittliga kommunikationslinjen. Detta är endast möjligt eftersom samtalet inte överförs helt. Teleföretaget delar upp det i små paket och till och med missar lite information. De passerar sedan genom linjen tillsammans med paket med andra konversationer och återställs i andra änden utan att blandas. Telefonväxelns klockningssystem kan avgöra vilka paket som hör till en given konversation genom den exakta tidpunkten då informationen skickades.
GPS
En annan implementering av exakt tid är ett globalt positioneringssystem. Den består av 24 satelliter som sänder sina koordinater och tid. Alla GPS-mottagare kan ansluta till dem och jämföra sändningstider. Skillnaden gör att användaren kan bestämma sin plats. Om dessa klockor inte var särskilt exakta skulle GPS-systemet vara opraktiskt och opålitligt.
Gränsen för perfektion
Med utvecklingen av teknik och atomur blev universums felaktigheter märkbara. Jorden rör sig ojämnt, vilket orsakar slumpmässiga variationer i längden på år och dagar. Tidigare skulle dessa förändringar ha gått obemärkt förbi eftersom verktygen för att mäta tid var för oprecisa. Men till stor frustration för forskare och vetenskapsmän måste tiden för atomur justeras för att kompensera för anomalier verkliga världen. De är fantastiska verktyg som hjälper till att utveckla modern teknik, men deras förträfflighet begränsas av de gränser som naturen själv sätter.
