Ceasul atomic cu hidrogen. Cum funcționează ceasurile atomice (5 fotografii). Cum funcționează ceasurile atomice?
Ceasurile atomice sunt cele mai precise instrumente de măsurare a timpului care există astăzi și devin din ce în ce mai importante pe măsură ce tehnologia modernă se dezvoltă și devine mai complexă.
Principiul de funcționare
Ceasurile atomice păstrează ora exactă nu datorită dezintegrarii radioactive, așa cum ar putea sugera numele lor, ci folosind vibrațiile nucleelor și electronilor din jurul lor. Frecvența lor este determinată de masa nucleului, gravitația și „echilibratorul” electrostatic dintre nucleul încărcat pozitiv și electroni. Acest lucru nu corespunde în totalitate cu o mișcare obișnuită a ceasului. Ceasurile atomice sunt indicatoare de timp mai fiabile, deoarece oscilațiile lor nu se modifică în funcție de factorii de mediu precum umiditatea, temperatura sau presiunea.
Evoluția ceasurilor atomice
De-a lungul anilor, oamenii de știință au realizat că atomii au frecvențe de rezonanță legate de capacitatea fiecăruia de a absorbi și de a emite radiații electromagnetice. În anii 1930 și 1940, au fost dezvoltate echipamente de comunicații de înaltă frecvență și radar care ar putea interfața cu frecvențele de rezonanță ale atomilor și moleculelor. Acest lucru a contribuit la ideea unui ceas.
Primele exemple au fost construite în 1949 de Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST). Amoniacul a fost folosit ca sursă de vibrații. Cu toate acestea, nu au fost cu mult mai precise decât standardul de timp existent și cesiul a fost folosit în generația următoare.
Standard nou
Schimbarea în precizia măsurării timpului a fost atât de mare încât în 1967 Conferința Generală pentru Greutăți și Măsuri a definit secunda SI ca 9.192.631.770 de vibrații ale unui atom de cesiu la frecvența sa de rezonanță. Aceasta însemna că timpul nu mai avea legătură cu mișcarea Pământului. Cel mai stabil ceas atomic din lume a fost creat în 1968 și a fost folosit ca parte a sistemului de cronometrare NIST până în anii 1990.
Masina de imbunatatire
Unul dintre cele mai recente progrese în acest domeniu este răcirea cu laser. Acest lucru a îmbunătățit raportul semnal-zgomot și a redus incertitudinea semnalului de ceas. Adăpostirea acestui sistem de răcire și a altor echipamente utilizate pentru îmbunătățirea ceasurilor cu cesiu ar necesita spațiu de dimensiunea unui vagon de cale ferată, deși versiunile comerciale ar putea încăpea într-o valiză. Una dintre aceste instalații de laborator ține timpul în Boulder, Colorado și este cel mai precis ceas de pe Pământ. Ei greșesc doar cu 2 nanosecunde pe zi sau cu 1 secundă la 1,4 milioane de ani.
Tehnologie complexă
Această precizie enormă este rezultatul unui proces de fabricație complex. Mai întâi, cesiul lichid este plasat într-un cuptor și încălzit până când se transformă într-un gaz. Atomii de metal ies cu viteză mare printr-o mică deschidere a cuptorului. Electromagneții îi fac să se împartă în fascicule separate cu energii diferite. Fasciculul necesar trece printr-o gaură în formă de U, iar atomii sunt iradiați cu energie de microunde cu o frecvență de 9.192.631.770 Hz. Datorită acestui fapt, ei sunt entuziasmați și trec într-o stare energetică diferită. Câmpul magnetic filtrează apoi alte stări de energie ale atomilor.
Detectorul reacționează la cesiu și arată un maxim la valoarea corectă a frecvenței. Acest lucru este necesar pentru a configura oscilatorul de cuarț care controlează mecanismul ceasului. Împărțirea frecvenței sale la 9.192.631.770 dă un impuls pe secundă.
Nu doar cesiu
Deși cele mai comune ceasuri atomice folosesc proprietățile cesiului, există și alte tipuri. Ele diferă prin elementul utilizat și mijloacele de determinare a modificărilor nivelului de energie. Alte materiale sunt hidrogenul și rubidiul. Ceasurile atomice cu hidrogen funcționează similar ceasurilor cu cesiu, dar necesită un recipient cu pereți dintr-un material special care împiedică atomii să piardă prea repede energie. Ceasurile Rubidium sunt cele mai simple și mai compacte. În ele, o celulă de sticlă umplută cu gaz rubidiu modifică absorbția luminii atunci când este expusă la frecvență ultraînaltă.
Cine are nevoie de ora exactă?
Astăzi, timpul poate fi măsurat cu o precizie extremă, dar de ce este acest lucru important? Acest lucru este necesar în sisteme precum telefoanele mobile, internetul, GPS-ul, programele de aviație și televiziunea digitală. La prima vedere acest lucru nu este evident.
Un exemplu de cât de precisă este utilizată este în sincronizarea pachetelor. Mii de apeluri telefonice trec prin linia medie de comunicare. Acest lucru este posibil doar pentru că conversația nu este transmisă complet. Compania de telecomunicații îl împarte în pachete mici și chiar omite o parte din informații. Apoi trec prin linie împreună cu pachete de alte conversații și sunt restaurate la celălalt capăt fără amestecare. Sistemul de ceas al centralei telefonice poate determina ce pachete aparțin unei anumite conversații în momentul exact în care a fost trimisă informația.
GPS
O altă implementare a timpului precis este un sistem de poziționare globală. Este format din 24 de sateliți care își transmit coordonatele și ora. Orice receptor GPS se poate conecta la ele și poate compara orele de difuzare. Diferența permite utilizatorului să-și determine locația. Dacă aceste ceasuri nu ar fi foarte precise, atunci sistemul GPS ar fi nepractic și nefiabil.
Limita perfectiunii
Odată cu dezvoltarea tehnologiei și a ceasurilor atomice, inexactitățile Universului au devenit vizibile. Pământul se mișcă inegal, provocând variații aleatorii în lungimea anilor și a zilelor. În trecut, aceste schimbări ar fi trecut neobservate deoarece instrumentele de măsurare a timpului erau prea imprecise. Cu toate acestea, spre frustrarea cercetătorilor și a oamenilor de știință, timpul ceasurilor atomice trebuie ajustat pentru a compensa anomaliile din lumea reală. Sunt instrumente uimitoare care ajută la avansarea tehnologiei moderne, dar excelența lor este limitată de limitele stabilite de natura însăși.
Ceas atomic
Dacă evaluăm acuratețea ceasurilor cu cuarț din punctul de vedere al stabilității lor pe termen scurt, atunci trebuie spus că această precizie este mult mai mare decât cea a ceasurilor cu pendul, care, totuși, prezintă o stabilitate mai mare în timpul măsurătorilor pe termen lung. La ceasurile de cuarț, mișcarea neregulată este cauzată de modificări în structura internă a cuarțului și de instabilitatea sistemelor electronice.
Principala sursă de instabilitate a frecvenței este îmbătrânirea cristalului de cuarț care sincronizează frecvența oscilatorului. Adevărat, măsurătorile au arătat că îmbătrânirea cristalului, însoțită de o creștere a frecvenței, are loc fără fluctuații mari și schimbări bruște. În ciuda. Această îmbătrânire afectează funcționarea corectă a unui ceas cu cuarț și impune necesitatea monitorizării regulate de către un alt dispozitiv cu un oscilator care are un răspuns de frecvență stabil și neschimbat.
Dezvoltarea rapidă a spectroscopiei cu microunde după cel de-al Doilea Război Mondial a deschis noi posibilități pentru măsurarea precisă a timpului prin frecvențe corespunzătoare liniilor spectrale adecvate. Aceste frecvențe, care ar putea fi considerate standarde de frecvență, au condus la ideea utilizării unui oscilator cuantic ca standard de timp.
Această decizie a reprezentat o întorsătură istorică în istoria cronometriei, deoarece a însemnat înlocuirea unității de timp astronomice valabile anterior cu o nouă unitate cuantică de timp. Această nouă unitate de timp a fost introdusă ca perioadă de radiație a tranzițiilor precis definite între nivelurile de energie ale moleculelor unor substanțe special selectate. După cercetări intense asupra acestei probleme în primii ani postbelici, a fost posibil să se construiască un dispozitiv care funcționează pe principiul absorbției controlate a energiei cu microunde în amoniacul lichid la presiuni foarte scăzute. Cu toate acestea, primele experimente cu un dispozitiv echipat cu un element de absorbție nu au dat rezultatele așteptate, deoarece extinderea liniei de absorbție cauzată de ciocnirile reciproce ale moleculelor a făcut dificilă determinarea frecvenței tranziției cuantice în sine. Numai prin metoda unui fascicul îngust de molecule de amoniac care zboară liber în URSS A.M. Prokhorov și N.G. Basov și în SUA Townes de la Universitatea Columbia au reușit să reducă semnificativ probabilitatea de coliziuni reciproce ale moleculelor și să elimine practic lărgirea liniei spectrale. În aceste condiții, moleculele de amoniac ar putea juca deja rolul unui generator atomic. Un fascicul îngust de molecule, eliberat printr-o duză într-un spațiu vid, trece printr-un câmp electrostatic neuniform în care moleculele sunt separate. Moleculele aflate într-o stare cuantică superioară au fost direcționate către un rezonator reglat, unde au eliberat energie electromagnetică la o frecvență constantă de 23.870.128.825 Hz. Această frecvență este apoi comparată cu frecvența oscilatorului de cuarț inclus în circuitul ceasului atomic. Primul generator cuantic, maserul de amoniac (Amplificare cu microunde prin emisie stimulată de radiații), a fost construit pe acest principiu.
N.G. Basov, A.M. Prokhorov și Townes au primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1964 pentru această lucrare.
Oamenii de știință din Elveția, Japonia, Germania, Marea Britanie, Franța și, nu în ultimul rând, Cehoslovacia au studiat și stabilitatea frecvenței maserelor cu amoniac. În perioada 1968-1979. La Institutul de Radio Inginerie și Electronică al Academiei de Științe Cehoslovace, au fost construite și puse în funcțiune mai multe masere cu amoniac, care au servit drept standarde de frecvență pentru stocarea timpului precis în ceasurile atomice fabricate din Cehoslovacia. Ei au obținut o stabilitate a frecvenței de ordinul 10-10, care corespunde variațiilor zilnice de 20 de milioane de secundă.
În prezent, frecvența atomică și standardele de timp sunt utilizate în principal în două scopuri principale - pentru măsurarea timpului și pentru calibrarea și monitorizarea standardelor de frecvență bazală. În ambele cazuri, frecvența generatorului de ceas cu cuarț este comparată cu frecvența standardului atomic.
La măsurarea timpului, frecvența standardului atomic și frecvența generatorului de ceas de cristal sunt comparate în mod regulat și, pe baza abaterilor identificate, se determină interpolarea liniară și corecția timpului mediu. Timpul adevărat este apoi obținut din suma citirilor ceasului de cuarț și această corecție medie a timpului. În acest caz, eroarea rezultată în urma interpolării este determinată de natura îmbătrânirii cristalului de ceas de cuarț.
Rezultatele excepționale obținute cu standardele de timp atomic, cu o eroare de doar 1 s la mie de ani, au fost motivul pentru care s-a dat o nouă definiție a unității de timp la Conferința a Treisprezecea Generală a Greutăților și Măsurilor, desfășurată la Paris în octombrie 1967. - o secundă atomică, care a fost definită acum ca 9.192.631.770 de oscilații ale radiației unui atom de cesiu-133.
După cum am indicat mai sus, pe măsură ce un cristal de cuarț îmbătrânește, frecvența de oscilație a oscilatorului de cuarț crește treptat, iar diferența dintre frecvențele oscilatorului de cuarț și atomic crește continuu. Dacă curba de îmbătrânire a cristalului este corectă, atunci este suficient să corectați vibrațiile cuarțului doar periodic, cel puțin la intervale de câteva zile. În acest fel, oscilatorul atomic nu trebuie să fie cuplat permanent la sistemul de ceas cu cuarț, ceea ce este foarte avantajos deoarece pătrunderea influențelor interferente în sistemul de măsurare este limitată.
Un ceas atomic elvețian cu doi oscilatori moleculari de amoniac, demonstrat la Expoziția Mondială de la Bruxelles în 1958, a obținut o precizie de o sută de miimi de secundă pe zi, care este de aproximativ o mie de ori mai precisă decât ceasurile cu pendul precise. Această precizie face deja posibilă studierea instabilităților periodice în viteza de rotație a axei pământului. Graficul din fig. 39, care este un fel de descriere a evoluției istorice a instrumentelor cronometrice și a îmbunătățirii metodelor de măsurare a timpului, arată cum, aproape miraculos, precizia măsurării timpului a crescut de-a lungul mai multor secole. Numai în ultimii 300 de ani, această precizie a crescut de peste 100.000 de ori.
Orez. 39. Precizia instrumentelor cronometrice în perioada 1930-1950.
Chimistul Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) a fost primul care a descoperit cesiul, ai cărui atomi, în condiții selectate corespunzător, sunt capabili să absoarbă radiații electromagnetice cu o frecvență de aproximativ 9192 MHz. Această proprietate a fost folosită de Sherwood și McCracken pentru a crea primul rezonator cu fascicul de cesiu. Curând după aceea, L. Essen, care lucrează la Laboratorul Național de Fizică din Anglia, și-a îndreptat eforturile către utilizarea practică a unui rezonator cu cesiu pentru măsurarea frecvențelor și timpului. În colaborare cu grupul astronomic United States Nevel Observatory, el deja în 1955-1958. a determinat frecvența tranziției cuantice a cesiului la 9.192.631.770 Hz și a asociat-o cu definiția actuală de atunci a secundei efemeridei, care mult mai târziu, după cum am menționat mai sus, a condus la stabilirea unei noi definiții a unității de timp. Următoarele rezonatoare cu cesiu au fost construite la Consiliul Național de Cercetare al Canadei din Ottawa, la laboratorul Swiss des Researches Horlogeres din Neuchâtel etc. Primul tip comercial de ceas atomic produs industrial a fost lansat pe piață în 1956 sub numele Atomichron de către Compania americană National Company Walden" din Massachusetts.
Complexitatea ceasurilor atomice sugerează că utilizarea oscilatoarelor atomice este posibilă numai în domeniul măsurării timpului de laborator efectuate cu ajutorul unor aparate de măsură mari. De fapt, acesta a fost cazul până de curând. Totuși, miniaturizarea a pătruns și în această zonă. Celebra companie japoneză Seiko-Hattori, care produce cronografe complexe cu oscilatoare de cristal, a oferit primul ceas de mână atomic, realizat din nou în colaborare cu compania americană McDonnell Douglas Astronautics Company. Aceasta companie produce si o celula de combustibil in miniatura, care este sursa de energie pentru ceasurile mentionate. Energia electrică în acest element măsoară 13? 6,4 mm produce radioizotopul prometiu-147; Durata de viață a acestui element este de cinci ani. Carcasa ceasului, realizată din tantal și oțel inoxidabil, este o protecție suficientă împotriva razelor beta ale elementului emise în mediu.
Măsurătorile astronomice, studiul mișcării planetelor în spațiu și diverse studii de radioastronomie nu pot face acum fără cunoașterea timpului exact. Precizia cerută de la ceasurile de cuarț sau atomice în astfel de cazuri variază în milioane de secunde. Odată cu precizia tot mai mare a informațiilor de timp furnizate, problemele de sincronizare a ceasului au crescut. Metoda cândva complet satisfăcătoare a semnalelor de timp transmise radio pe unde scurte și lungi s-a dovedit a fi insuficient de precisă pentru a sincroniza două dispozitive de cronometrare situate aproape unul de celălalt, cu o precizie mai mare de 0,001 s, iar acum chiar și acest grad de precizie nu este deloc. mai mult satisfăcător.
Una dintre soluțiile posibile - transportul ceasurilor auxiliare la locul măsurătorilor comparative - a fost oferită de miniaturizarea elementelor electronice. La începutul anilor '60, au fost construite ceasuri speciale de cuarț și atomice care puteau fi transportate în avioane. Ele puteau fi transportate între laboratoarele de astronomie și, în același timp, furnizau informații de timp cu o precizie de o milioneme de secundă. De exemplu, când în 1967, ceasurile de cesiu în miniatură fabricate de compania californiană Hewlett-Packard au fost transportate intercontinental, acest dispozitiv a trecut prin 53 de laboratoare din întreaga lume (a fost și în Cehoslovacia), iar cu ajutorul lui ceasurile locale au fost sincronizate cu precizie. 0,1 μs (0,0000001 s).
Sateliții de comunicație pot fi utilizați și pentru comparații în timp de microsecunde. În 1962, această metodă a fost folosită de Marea Britanie și Statele Unite ale Americii prin transmiterea unui semnal de timp prin satelitul Telestar. Rezultate mult mai favorabile la costuri mai mici s-au obținut însă prin transmiterea semnalelor folosind tehnologia televiziunii.
Această metodă de transmitere a timpului și a frecvenței precise folosind impulsuri de ceas de televiziune a fost dezvoltată și dezvoltată în instituțiile științifice cehoslovace. Purtătorul auxiliar al informațiilor de timp aici sunt impulsurile video de sincronizare, care nu interferează în niciun fel cu transmisia programului de televiziune. În acest caz, nu este necesar să se introducă impulsuri suplimentare în semnalul imaginii de televiziune.
Condiția pentru utilizarea acestei metode este ca același program de televiziune să poată fi recepționat la locațiile ceasurilor comparate. Ceasurile comparate sunt pre-ajustate la o precizie de câteva milisecunde, iar măsurarea trebuie efectuată la toate stațiile de măsurare simultan. În plus, este necesar să se cunoască diferența de timp necesară transmiterii impulsurilor de sincronizare de la o sursă comună, care este un sincronizator de televiziune, către receptoarele din locația ceasurilor comparate.
Din cartea Cum oamenii și-au descoperit pământul autor Tomilin Anatoly NikolaeviciSpărgătoare de gheață nucleare din a doua generație După nava amiral a flotei de spărgătoare de gheață - spărgătorul de gheață nuclear „Lenin”, la Leningrad au fost construite încă trei spărgătoare de gheață nucleare, eroi atomici. Se numesc spărgătoare de gheață de a doua generație. Ce înseamnă asta?Poate, în primul rând, când creați noi
Din cartea Broken Sword of the Empire autor Kalashnikov MaximCAPITOLUL 14 ZBORUL ÎNTRERUPUT AL VULTURLOR. CRAZĂTOARELE RUSE - GRELE, NUCLARE, RACHETE... 1 Nu creăm această carte ca o plângere pentru măreția pierdută. Deși putem scrie zeci de pagini care descriu starea actuală (scrisă în 1996) a ceea ce a fost cândva marea flotă
Din cartea Al Doilea Război Mondial de Beevor AnthonyCapitolul 50 Bombele atomice și înfrângerea Japoniei mai-septembrie 1945 Când Germania s-a predat în mai 1945, armatele japoneze din China au primit ordine de la Tokyo să înceapă retragerea pe coasta de est. Trupele naționaliste din Chiang Kai-shek au fost puternic bătute în timpul japonezilor
autorCadran solar Fără îndoială, cel mai comun dispozitiv cronometric a fost ceasul solar, bazat pe mișcarea aparentă zilnică și uneori anuală a Soarelui. Astfel de ceasuri au apărut nu mai devreme de când omul și-a dat seama de relația dintre lungimea și poziția umbrei din acestea
Din cartea O altă istorie a științei. De la Aristotel la Newton autor Kalyuzhny Dmitri VitalieviciCeasurile cu apă Cadranele solare erau un indicator al timpului simplu și fiabil, dar sufereau de unele dezavantaje serioase: funcționarea lor era dependentă de vreme și era limitată la timpul dintre răsărit și apus. Nu există nicio îndoială că, din această cauză, oamenii de știință au început să caute altele
Din cartea O altă istorie a științei. De la Aristotel la Newton autor Kalyuzhny Dmitri VitalieviciCeasuri de foc Pe lângă ceasurile solare și de apă, de la începutul secolului al XIII-lea au apărut și primele ceasuri de foc sau lumânări. Acestea sunt lumânări subțiri de aproximativ un metru lungime, cu o scară imprimată pe toată lungimea. Ei au arătat ora relativ precis, iar noaptea au luminat și casele bisericii și
Din cartea O altă istorie a științei. De la Aristotel la Newton autor Kalyuzhny Dmitri VitalieviciClepsidra Data primei clepsidra este de asemenea necunoscuta. Dar ele, ca lămpile cu ulei, au apărut nu mai devreme decât sticla transparentă. Se crede că în Europa de Vest au aflat despre clepsidră abia la sfârșitul Evului Mediu; una dintre cele mai vechi mențiuni ale
Din cartea The Hunt for the Atomic Bomb: KGB File No. 13.676 autor Cikov Vladimir Matveevici3. Cum se nasc spionii atomici
Din cartea Sakura și stejarul (colecția) autor Ovchinnikov Vsevolod VladimiroviciUn ceas fără ace „Moștenitori ai unei societăți care a investit prea mult într-un imperiu; oameni înconjurați de rămășițele dărăpănate ale unei moșteniri care se topeau, nu s-au putut aduce, într-un moment de criză, să abandoneze amintirile trecutului și să-și schimbe modul de viață învechit. Pa fata
Din cartea Al Doilea Război Mondial: greșeli, gafe, pierderi de Dayton Len20. ORE DE ÎNTUNEC Să cântăm un cântec despre tinerii piloți, Dacă nu ar fi război, ar sta la un birou de școală. Cântecul escadronului nr. 55 RAF, scris în jurul anului 1918. Luptătorii britanici au fost victorioși în bătălia Marii Britanii, dar avioanele de vânătoare au avut de suferit
Din cartea Viața de zi cu zi a clasei nobiliare în Epoca de Aur a Ecaterinei autor Eliseeva Olga IgorevnaÎn orele dimineții, împărăteasa însăși a aprins șemineul, a aprins lumânări și o lampă și s-a așezat la biroul ei în biroul cu oglindă - primele ore ale zilei erau dedicate exercițiilor ei literare personale. Ea i-a spus odată lui Gribovsky că „nu poți trece o zi fără să faci pipi”.
Din cartea Marea victorie în Orientul Îndepărtat. August 1945: din Transbaikalia în Coreea [editat] autor Alexandrov Anatoli AndreeviciCapitolul VII Grevele atomice americane 1 25 aprilie s-a dovedit a fi deosebit de remarcabil pentru ambii interlocutori. Secretarul de Război Stimson a fost pregătit pentru acest raport încă de la începutul lunii, dar moartea subită a președintelui Roosevelt a perturbat programul de contact al înalților oficiali.
Din cartea America Rusă autor Burlak Vadim NiklasoviciÎn orele de odihnă, Baranov era renumit pentru ospitalitatea sa și dragostea pentru găzduirea sărbătorilor. Rușii, băștinașii și marinarii străini și-au amintit acest lucru. Chiar și în vremuri de foamete pentru colonie, el a găsit o oportunitate de a trata oaspeții invitați și ocazionali, dacă rămăsese
Din cartea Egiptul lui Ramses de Monte PierreIV. Ceasul Egiptenii au împărțit anul în douăsprezece luni și, în același mod, au împărțit ziua în douăsprezece ore și noaptea în douăsprezece. Este puțin probabil să fi împărțit ora în perioade mai mici de timp. Cuvântul „la”, care este tradus ca „moment”, nu are un specific
Din cartea Cei mai mari spioni din lume de Wighton CharlesCAPITOLUL 12 SPIONI „ATOMIC” În zorii zilei de 16 iulie 1945, când Churchill, Truman și Stalin se adunau la Berlin pentru Conferința de la Potsdam, prima bombă atomică a fost detonată în deșertul Alamogordo, New Mexico. Pe dealuri, la douăzeci de mile de locul exploziei, a fost localizat
Din cartea Exploratorii ruși - gloria și mândria Rusului autor Glazyrin Maxim IurieviciReactoare atomice și cristale electronice Konstantin Chilovsky (n. 1881), inginer rus, inventator. El a inventat un dispozitiv pentru detectarea submarinelor, care a fost utilizat pe scară largă în timpul Primului Război Mondial (1914–1918). A primit Ordinul Francez pentru invenția sa.
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 se îndepărtează de planetă. Sarcina de sincronizare a timpului pământesc și cosmic este îndeplinită de standardele de frecvență a hidrogenului, care sunt numite și „ceasuri atomice”.
Primul timp atomic a apărut odată cu apariția ceasurilor atomice a apărut la mijlocul anilor 20. În zilele noastre, ceasurile atomice au devenit un lucru de zi cu zi fiecare dintre noi le folosește în fiecare zi: cu ajutorul lor funcționează comunicațiile digitale, GLONASS, navigația și transportul.
Proprietarii de telefoane mobile cu greu se gândesc la ce lucrări complexe se desfășoară în spațiu pentru o sincronizare strictă a timpului și vorbim doar de milioane de secundă.
Standardul de timp exact este stocat în regiunea Moscova, la Institutul Științific de Măsurări Fizico-Tehnice și Radio-Tehnice. Există 450 de astfel de ceasuri în lume.
Rusia și SUA au monopoluri asupra ceasurilor 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 mai sigur, mai durabil.
Acest ceas nu are cadran sau mâini: arată ca un butoi mare de metale rare și valoroase, umplut cu cele mai avansate tehnologii - instrumente de măsură și echipamente de înaltă precizie cu standarde atomice. Procesul de creare a acestora este foarte lung, complex și se desfășoară în condiții de sterilitate absolută.
De 4 ani încoace, ceasul instalat pe satelitul rus studiază energia întunecată. După standardele umane, ei își pierd precizia cu 1 secundă de-a lungul multor milioane de ani.
Foarte curând, ceasurile atomice vor fi instalate pe Spektr-M, un observator spațial care va vedea cum se formează stelele și exoplanetele și va privi dincolo de marginea găurii negre din centrul galaxiei noastre. Potrivit oamenilor de știință, din cauza gravitației monstruoase, timpul curge atât de încet, încât aproape se oprește.
tvroscosmos
, Galileo) sunt imposibile fără ceasurile atomice. Ceasurile atomice sunt, de asemenea, utilizate în sistemele de telecomunicații prin satelit și terestre, inclusiv stațiile de bază pentru telefoane mobile, birourile de standarde internaționale și naționale și serviciile de timp, care difuzează periodic semnale de timp prin radio.
Dispozitiv cu ceas
Ceasul este format din mai multe piese:
- discriminator cuantic,
- complex electronic.
Centrele naționale de standarde de frecvență
Multe țări au format centre naționale de standarde de timp și frecvență:
- (VNIIFTRI), satul Mendeleevo, regiunea Moscova;
- (NIST), Boulder (SUA, Colorado);
- Institutul Național de Știință și Tehnologie Industrială Avansată (AIST), Tokyo (Japonia);
- Agenția Federală Fizică și Tehnică (Limba germana)(PTB), Braunschweig (Germania);
- Laboratorul Național de Metrologie și Încercări (Limba franceza)(LNE), Paris (Franța).
- Laboratorul Național de Fizică din Marea Britanie (NPL), Londra, Marea Britanie.
Oamenii de știință din diferite țări lucrează pentru a îmbunătăți ceasurile atomice și stabilesc standardele primare de timp și frecvență pe baza acestora, precizia unor astfel de ceasuri crește constant. În Rusia, se desfășoară cercetări ample care vizează îmbunătățirea performanței ceasurilor atomice.
Tipuri de ceasuri atomice
Nu orice atom (moleculă) este potrivit ca discriminator pentru un ceas atomic. Sunt selectați atomii care sunt insensibili la diferite influențe externe: câmpuri magnetice, electrice și electromagnetice. Există astfel de atomi în fiecare domeniu al spectrului radiațiilor electromagnetice. Acestea sunt: atomi de calciu, rubidiu, cesiu, stronțiu, molecule de hidrogen, iod, metan, oxid de osmiu(VIII) etc. Ca standard de frecvență principal (primar) a fost aleasă tranziția hiperfină a atomului de cesiu. Performanța tuturor celorlalte standarde (secundare) este comparată cu acest standard. Pentru a face o astfel de comparație, în prezent se folosesc așa-numiții piepteni optici. (Engleză)- radiații cu spectru larg de frecvență sub formă de linii echidistante, distanța dintre care este legată de standardul de frecvență atomică. Pieptenii optici sunt produși folosind un laser femtosecundă blocat în mod și o fibră optică microstructurată, în care spectrul este lărgit la o octavă.
În 2006, cercetătorii de la Institutul Național American de Standarde și Tehnologie, conduși de Jim Bergquist, au dezvoltat un ceas care funcționează pe un singur atom. Tranzițiile între nivelurile de energie ale ionului de mercur generează fotoni în domeniul vizibil cu o stabilitate de 5 ori mai mare decât radiația cu microunde a cesiului-133. Noul ceas poate găsi, de asemenea, aplicație în studiile dependenței schimbărilor constantelor fizice fundamentale în timp. Din aprilie 2015, cele mai precise ceasuri atomice au fost cele create de Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA. Eroarea a fost de doar o secundă în 15 miliarde de ani. Una dintre posibilele aplicații ale ceasurilor a fost geodezia relativistă, a cărei idee principală este utilizarea unei rețele de ceasuri ca senzori gravitaționali, care va ajuta la efectuarea de măsurători tridimensionale incredibil de detaliate ale formei Pământului.
Dezvoltarea activă a ceasurilor atomice compacte pentru utilizare în viața de zi cu zi (ceasuri de mână, dispozitive mobile) este în curs de desfășurare. La începutul anului 2011, o companie americană Symmetricom a anunțat lansarea comercială a unui ceas atomic cu cesiu de dimensiunea unui cip mic. Ceasul funcționează pe baza efectului captării coerente a populației. Stabilitatea lor este de 5 10 -11 pe oră, greutatea este de 35 g, consumul de energie este de 115 mW.
Note
- Nou set de înregistrare a preciziei ceasului atomic (nedefinit)
