Vodíkové atómové hodiny. Ako fungujú atómové hodiny (5 fotografií). Ako fungujú atómové hodiny?
Atómové hodiny sú najpresnejšími prístrojmi na meranie času, ktoré dnes existujú, a stávajú sa čoraz dôležitejšími, pretože moderná technológia sa vyvíja a stáva sa zložitejšou.
Princíp činnosti
Atómové hodiny udržujú presný čas nie vďaka rádioaktívnemu rozpadu, ako by ich názov mohol napovedať, 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 celkom nezodpovedá bežnému hodinovému strojčeku. Atómové hodiny sú spoľahlivejšími strážcami času, pretože ich oscilácie sa nemenia v závislosti od faktorov prostredia, ako je vlhkosť, teplota alebo tlak.
Evolúcia atómových hodín
V priebehu rokov si vedci uvedomili, že atómy majú rezonančné frekvencie súvisiace so schopnosťou každého absorbovať a vyžarovať elektromagnetické žiarenie. V 30. a 40. rokoch 20. storočia boli vyvinuté vysokofrekvenčné komunikačné a radarové zariadenia, ktoré sa mohli prepojiť s rezonančnými frekvenciami atómov a molekúl. To prispelo k myšlienke hodiniek.
Prvé príklady 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 v presnosti merania 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 časomiery 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. Umiestnenie tohto chladiaceho systému a ďalších zariadení používaných na zlepšenie céziových hodín by si vyžadovalo priestor veľkosti železničného vagóna, hoci komerčné verzie by sa zmestili do kufra. Jedno z týchto laboratórnych zariadení sleduje čas v Boulder v Colorade a je to najpresnejšie hodiny na Zemi. Mýlia sa len o 2 nanosekundy za deň alebo 1 sekundu za 1,4 milióna rokov.
Komplexná technológia
Táto obrovská presnosť je výsledkom zložitého výrobného procesu. Najprv sa tekuté cézium umiestni 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 na samostatné lúče s rôznymi energiami. Potrebný lúč prechádza otvorom v tvare U a atómy sú ožarované mikrovlnnou energiou 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. Toto je potrebné na konfiguráciu kremenného 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 zmien úrovne energie. Ďalšími materiálmi sú vodík a rubídium. Vodíkové atómové hodiny fungujú podobne ako céziové hodiny, vyžadujú však nádobu so stenami zo špeciálneho materiálu, ktorý bráni tomu, aby atómy príliš rýchlo strácali energiu. Najjednoduchšie a najkompaktnejšie sú hodinky Rubidium. V nich sklenená bunka naplnená rubídiovým plynom mení absorpciu svetla, keď je vystavená ultravysokej frekvencii.
Kto potrebuje presný čas?
Dnes sa čas dá merať s extrémnou presnosťou, ale prečo je to dôležité? Je to nevyhnutné v systémoch, ako sú mobilné telefóny, internet, GPS, letecké programy a digitálna televízia. Na prvý pohľad to nie je zrejmé.
Príkladom toho, ako sa používa presný čas, je synchronizácia paketov. Priemernou komunikačnou linkou prejdú tisíce 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. Časovací systém telefónnej ústredne dokáže určiť, ktoré pakety patria do danej konverzácie, 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 boli nepresnosti vesmíru viditeľné. Zem sa pohybuje nerovnomerne, čo spôsobuje náhodné odchýlky v dĺžke rokov a dní. V minulosti by tieto zmeny zostali nepovšimnuté, pretože nástroje na meranie času boli príliš nepresné. Na frustráciu výskumníkov a vedcov sa však čas atómových hodín musí upraviť, aby sa kompenzovali anomálie v reálnom svete. Sú to úžasné nástroje, ktoré pomáhajú napredovať v moderných technológiách, no ich dokonalosť je obmedzená limitmi stanovenými samotnou prírodou.
Atómové hodiny
Ak hodnotíme presnosť quartzových hodín z pohľadu ich krátkodobej stability, tak treba povedať, že táto presnosť je oveľa vyššia ako u kyvadlových hodín, ktoré však pri dlhodobých meraniach vykazujú vyššiu stabilitu. V quartzových hodinkách je nepravidelný pohyb spôsobený zmenami vo vnútornej štruktúre kremeňa a nestabilitou elektronických systémov.
Hlavným zdrojom frekvenčnej nestability je starnutie kryštálu kremeňa synchronizujúceho frekvenciu oscilátora. Pravda, merania ukázali, že starnutie kryštálu sprevádzané zvyšovaním frekvencie prebieha bez veľkých výkyvov a náhlych zmien. Napriek tomu. Toto starnutie zhoršuje správnu činnosť quartzových hodiniek a vyžaduje pravidelné monitorovanie iným zariadením s oscilátorom, ktorý má stabilnú, nemennú frekvenčnú odozvu.
Rýchly rozvoj mikrovlnnej spektroskopie po druhej svetovej vojne otvoril nové možnosti pre presné meranie času prostredníctvom frekvencií zodpovedajúcich vhodným spektrálnym čiaram. Tieto frekvencie, ktoré by sa dali považovať za frekvenčné štandardy, viedli k myšlienke použiť kvantový oscilátor ako časový štandard.
Toto rozhodnutie bolo historickým obratom v histórii chronometrie, pretože znamenalo nahradenie predtým platnej astronomickej jednotky času novou kvantovou jednotkou času. Táto nová časová jednotka bola zavedená ako perióda vyžarovania presne definovaných prechodov medzi energetickými hladinami molekúl niektorých špeciálne vybraných látok. Po intenzívnom výskume tohto problému v prvých povojnových rokoch sa podarilo zostrojiť zariadenie fungujúce na princípe riadenej absorpcie mikrovlnnej energie v kvapalnom amoniaku pri veľmi nízkych tlakoch. Prvé experimenty so zariadením vybaveným absorpčným prvkom však nepriniesli očakávané výsledky, keďže rozširovanie absorpčnej čiary spôsobené vzájomnými zrážkami molekúl sťažovalo určenie frekvencie samotného kvantového prechodu. Len metódou úzkeho zväzku voľne lietajúcich molekúl amoniaku v ZSSR A.M. Prochorov a N.G. Basovovi a v USA Townesovi z Kolumbijskej univerzity sa podarilo výrazne znížiť pravdepodobnosť vzájomných zrážok molekúl a prakticky eliminovať rozšírenie spektrálnej čiary. Za týchto okolností by už molekuly amoniaku mohli hrať úlohu atómového generátora. Úzky zväzok molekúl, uvoľnený cez dýzu do vákuového priestoru, prechádza cez nerovnomerné elektrostatické pole, v ktorom sú molekuly oddelené. Molekuly vo vyššom kvantovom stave smerovali do ladeného rezonátora, kde uvoľnili elektromagnetickú energiu s konštantnou frekvenciou 23 870 128 825 Hz. Táto frekvencia sa potom porovnáva s frekvenciou kremenného oscilátora zahrnutého v obvode atómových hodín. Na tomto princípe bol postavený prvý kvantový generátor, amoniakový maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
N.G. Basov, A.M. Prochorov a Townes dostali za túto prácu v roku 1964 Nobelovu cenu za fyziku.
Stabilitu frekvencie masérov čpavku skúmali aj vedci zo Švajčiarska, Japonska, Nemecka, Veľkej Británie, Francúzska a v neposlednom rade aj z Československa. V období rokov 1968-1979. V Ústave rádiotechniky a elektroniky ČSAV bolo postavených a uvedených do skúšobnej prevádzky niekoľko čpavkových masérov, ktoré slúžili ako frekvenčné etalony na ukladanie presného času v atómových hodinách československej výroby. Dosiahli frekvenčnú stabilitu rádovo 10-10, čo zodpovedá denným odchýlkam 20 milióntin sekundy.
V súčasnosti sa štandardy atómovej frekvencie a času používajú najmä na dva hlavné účely – na meranie času a na kalibráciu a monitorovanie štandardov bazálnej frekvencie. V oboch prípadoch sa frekvencia generátora quartzových hodín porovnáva s frekvenciou atómového štandardu.
Pri meraní času sa pravidelne porovnáva frekvencia atómového štandardu a frekvencia generátora kryštálových hodín a na základe zistených odchýlok sa určí lineárna interpolácia a priemerná časová korekcia. Skutočný čas sa potom získa zo súčtu hodnôt quartzových hodín a tejto korekcie priemerného času. V tomto prípade je chyba vyplývajúca z interpolácie určená povahou starnutia kremenného kryštálu hodiniek.
Výnimočné výsledky dosiahnuté s atómovými časovými normami s chybou iba 1 s na tisíc rokov boli dôvodom, prečo bola na trinástej generálnej konferencii pre váhy a miery, ktorá sa konala v Paríži v októbri 1967, uvedená nová definícia jednotky času. - atómová sekunda, ktorá bola teraz definovaná ako 9 192 631 770 kmitov žiarenia atómu cézia-133.
Ako sme naznačili vyššie, ako kryštál kremeňa starne, frekvencia oscilácií kremenného oscilátora sa postupne zvyšuje a rozdiel medzi frekvenciami kremenného a atómového oscilátora sa neustále zvyšuje. Ak je krivka starnutia kryštálov správna, potom stačí korigovať vibrácie kremeňa len periodicky, aspoň v intervaloch niekoľkých dní. Týmto spôsobom nemusí byť atómový oscilátor trvalo spojený so systémom quartzových hodín, čo je veľmi výhodné, pretože prenikanie rušivých vplyvov do meracieho systému je obmedzené.
Švajčiarske atómové hodiny s dvoma molekulárnymi oscilátormi na báze amoniaku, predvedené na svetovej výstave v Bruseli v roku 1958, dosahovali presnosť stotisíciny sekundy za deň, čo je asi tisíckrát presnejšie ako presné kyvadlové hodiny. Táto presnosť už umožňuje študovať periodické nestability v rýchlosti rotácie zemskej osi. Graf na obr. 39, ktorý je akýmsi zobrazením historického vývoja chronometrických prístrojov a zdokonaľovania metód merania času, ukazuje, ako sa takmer zázračne v priebehu niekoľkých storočí zvýšila presnosť merania času. Len za posledných 300 rokov sa táto presnosť zvýšila viac ako 100 000-krát.
Ryža. 39. Presnosť chronometrických prístrojov v období od roku 1930 do roku 1950.
Chemik Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) ako prvý objavil cézium, ktorého atómy sú za vhodne zvolených podmienok schopné pohlcovať elektromagnetické žiarenie s frekvenciou asi 9192 MHz. Túto vlastnosť využili Sherwood a McCracken na vytvorenie prvého rezonátora s céziovým lúčom. Čoskoro nato L. Essen, pracujúci v Národnom fyzikálnom laboratóriu v Anglicku, nasmeroval svoje úsilie na praktické využitie céziového rezonátora na meranie frekvencií a času. V spolupráci s astronomickou skupinou United States Nevel Observatory sa už v rokoch 1955-1958. určil frekvenciu kvantového prechodu cézia na 9 192 631 770 Hz a spojil ju s vtedy aktuálnou definíciou efemeridovej sekundy, čo oveľa neskôr, ako bolo uvedené vyššie, viedlo k zavedeniu novej definície jednotky času. Nasledujúce céziové rezonátory boli skonštruované v National Research Council of Canada v Ottawe, v laboratóriu Swiss des Researches Horlogeres v Neuchâtel atď. Prvý komerčný typ priemyselne vyrábaných atómových hodín bol uvedený na trh v roku 1956 pod názvom Atomichron firmou Americká spoločnosť National Company Walden“ v Massachusetts.
Zložitosť atómových hodín naznačuje, že použitie atómových oscilátorov je možné len v oblasti laboratórneho merania času vykonávaného pomocou veľkých meracích prístrojov. V skutočnosti to tak bolo až donedávna. Miniaturizácia však prenikla aj do tejto oblasti. Slávna japonská spoločnosť Seiko-Hattori, ktorá vyrába zložité chronografy s kryštálovými oscilátormi, ponúkla prvé atómové náramkové hodinky vyrobené opäť v spolupráci s americkou spoločnosťou McDonnell Douglas Astronautics Company. Táto spoločnosť vyrába aj miniatúrny palivový článok, ktorý je zdrojom energie pre spomínané hodinky. Elektrická energia v tomto prvku meria 13? 6,4 mm produkuje rádioizotop promethium-147; Životnosť tohto prvku je päť rokov. Puzdro hodiniek vyrobené z tantalu a nehrdzavejúcej ocele je dostatočnou ochranou pred beta lúčmi prvku emitovanými do okolia.
Astronomické merania, štúdium pohybu planét vo vesmíre a rôzne rádioastronomické štúdie sa dnes nezaobídu bez znalosti presného času. Presnosť vyžadovaná od kremenných alebo atómových hodín sa v takýchto prípadoch pohybuje v rámci milióntin sekundy. S rastúcou presnosťou dodaných časových informácií narastali problémy so synchronizáciou hodín. Kedysi úplne vyhovujúci spôsob rádiového vysielania časových signálov na krátkych a dlhých vlnách sa ukázal ako nedostatočne presný na synchronizáciu dvoch blízko seba umiestnených časomerných zariadení s presnosťou väčšou ako 0,001 s a v súčasnosti už ani tento stupeň presnosti nie je dlhšie vyhovujúce.
Jedno z možných riešení - transport pomocných hodín na miesto porovnávacích meraní - poskytla miniaturizácia elektronických prvkov. Začiatkom 60. rokov boli zostrojené špeciálne kremenné a atómové hodiny, ktoré bolo možné prepravovať v lietadlách. Dali sa prepravovať medzi astronomickými laboratóriami a zároveň poskytovali časové informácie s presnosťou na jednu milióntinu sekundy. Napríklad, keď sa v roku 1967 medzikontinentálne prepravovali miniatúrne céziové hodiny vyrábané kalifornskou firmou Hewlett-Packard, toto zariadenie prešlo 53 laboratóriami po celom svete (bolo aj v Československu) a s jeho pomocou sa miestne hodiny s presnosťou synchronizovali 0,1 μs (0,0000001 s).
Komunikačné satelity možno použiť aj na mikrosekundové porovnania času. V roku 1962 túto metódu použili Veľká Británia a Spojené štáty americké, a to vysielaním časového signálu cez satelit Telestar. Oveľa priaznivejšie výsledky pri nižších nákladoch sa však dosiahli pri prenose signálov pomocou televíznej techniky.
Tento spôsob prenosu presného času a frekvencie pomocou televíznych hodinových impulzov bol vyvinutý a vyvinutý v československých vedeckých inštitúciách. Pomocným nosičom časovej informácie sú tu synchronizačné obrazové impulzy, ktoré nijako nerušia prenos televízneho programu. V tomto prípade nie je potrebné zavádzať do televízneho obrazového signálu žiadne dodatočné impulzy.
Podmienkou použitia tejto metódy je, aby na miestach porovnávaných hodín bolo možné prijímať rovnaký televízny program. Porovnávané hodiny sú vopred nastavené s presnosťou niekoľkých milisekúnd a meranie sa potom musí vykonávať na všetkých meracích staniciach súčasne. Okrem toho je potrebné poznať časový rozdiel potrebný na prenos synchronizačných impulzov zo spoločného zdroja, ktorým je televízny synchronizátor, do prijímačov v mieste porovnávaných hodín.
Z knihy Ako ľudia objavovali svoju zem autora Tomilin Anatolij NikolajevičJadrové ľadoborce druhej generácie Po vlajkovej lodi flotily ľadoborcov – jadrovom ľadoborci „Lenin“ boli v Leningrade postavené ďalšie tri jadrové ľadoborce, atómoví hrdinovia. Hovorí sa im ľadoborec druhej generácie. Čo to znamená? Možno v prvom rade pri vytváraní nového
Z knihy Broken Sword of the Empire autora Kalašnikov Maxim14. KAPITOLA PRERUŠENÝ LET ORLA. RUSKÉ KRÍŽNÍKY – ŤAŽKÉ, JADROVÉ, RIADENÉ... 1 Túto knihu nevytvárame ako nárek za stratenú veľkosť. Hoci môžeme napísať desiatky strán zobrazujúcich súčasný (napísaný v roku 1996) stav kedysi veľkej flotily
Z knihy 2. svetová vojna od Beevor AnthonyKapitola 50 Atómové bomby a porážka Japonska máj – september 1945 V čase, keď Nemecko v máji 1945 kapitulovalo, japonské armády v Číne dostali z Tokia rozkazy začať sa sťahovať na východné pobrežie. Čankajškove nacionalistické jednotky boli počas Japoncov ťažko zbité
autoraSlnečné hodiny Najbežnejším chronometrickým zariadením boli nepochybne slnečné hodiny, založené na zdanlivom dennom a niekedy aj ročnom pohybe Slnka. Takéto hodiny sa objavili skôr, ako si človek uvedomil vzťah medzi dĺžkou a polohou tieňa z nich
Z knihy Iné dejiny vedy. Od Aristotela po Newtona autora Kaljužnyj Dmitrij VitalievičVodné hodiny Slnečné hodiny boli jednoduchým a spoľahlivým ukazovateľom času, mali však niekoľko vážnych nevýhod: ich prevádzka bola závislá od počasia a bola obmedzená na čas medzi východom a západom slnka. Niet pochýb o tom, že kvôli tomu vedci začali hľadať iné
Z knihy Iné dejiny vedy. Od Aristotela po Newtona autora Kaljužnyj Dmitrij VitalievičOhňové hodiny Okrem slnečných a vodných hodín sa od začiatku 13. storočia objavili aj prvé ohňové či sviečkové hodiny. Ide o tenké sviečky dlhé asi meter s vytlačenou stupnicou po celej dĺžke. Pomerne presne ukazovali čas a v noci osvetľovali aj príbytky kostola a
Z knihy Iné dejiny vedy. Od Aristotela po Newtona autora Kaljužnyj Dmitrij VitalievičPresýpacie hodiny Dátum prvých presýpacích hodín tiež nie je známy. Ale oni, ako olejové lampy, sa objavili nie skôr ako priehľadné sklo. Predpokladá sa, že v západnej Európe sa o presýpacích hodinách dozvedeli až na konci stredoveku; jedna z najstarších zmienok o
Z knihy Honba na atómovú bombu: spis KGB č. 13 676 autora Čikov Vladimír Matveevič3. Ako sa rodia atómoví špióni
Z knihy Sakura a dub (kolekcia) autora Ovčinnikov Vsevolod VladimirovičHodiny bez ručičiek „Dedičia spoločnosti, ktorá príliš veľa investovala do impéria; ľudia obklopení chátrajúcimi zvyškami topiaceho sa dedičstva sa nedokázali v krízovom momente prinútiť opustiť spomienky na minulosť a zmeniť svoj zastaraný spôsob života. Zbohom tvár
Z knihy 2. svetová vojna: chyby, prešľapy, prehry od Daytona Lena20. HODINY TMY Spievajme pieseň o mladých letcoch Nebyť vojny, sedeli by v školskej lavici. Pieseň č. 55 Squadron RAF, napísaná okolo roku 1918 Britské stíhačky zvíťazili v bitke o Britániu, ale stíhačky utrpeli
Z knihy Každodenný život šľachtickej triedy v zlatom veku Kataríny autora Eliseeva Oľga IgorevnaV dopoludňajších hodinách samotná cisárovná zapálila krb, zapálila sviečky a lampu a posadila sa za pracovný stôl v zrkadlovej kancelárii – prvé hodiny dňa boli venované jej osobným literárnym cvičeniam. Raz povedala Gribovskému, že „jeden deň nemôžeš ísť cikať“.
Z knihy Veľké víťazstvo na Ďalekom východe. August 1945: z Transbaikalie do Kórey [upravené] autora Alexandrov Anatolij AndrejevičKapitola VII Americké atómové útoky 1. 25. apríl sa ukázal byť obzvlášť viditeľný pre oboch účastníkov rozhovoru. Minister vojny Stimson bol pripravený na túto správu od začiatku mesiaca, ale náhla smrť prezidenta Roosevelta narušila plány kontaktov vyšších úradníkov.
Z knihy Ruská Amerika autora Burlak Vadim NiklasovičPočas hodín odpočinku bol Baranov známy svojou pohostinnosťou a láskou k usporiadaniu hodov. Pripomenuli si to Rusi, domorodci i zahraniční námorníci. Dokonca aj v časoch hladomoru pre kolóniu našiel príležitosť liečiť pozvaných a náhodných hostí, ak mu došli
Z knihy Egypt Ramesseho od Monte PierraIV. Hodiny Egypťania rozdelili rok na dvanásť mesiacov a rovnakým spôsobom rozdelili deň na dvanásť hodín a noc na dvanásť. Je nepravdepodobné, že by hodinu rozdelili na menšie časové úseky. Slovo "at", ktoré sa prekladá ako "moment", nemá žiadne špecifické
Z knihy Najväčší špióni sveta od Wightona CharlesaKAPITOLA 12 „ATÓMOVÍ“ ŠPIÓNI Za úsvitu 16. júla 1945, keď sa Churchill, Truman a Stalin zhromaždili v Berlíne na Postupimskej konferencii, bola v púšti Alamogordo v Novom Mexiku odpálená prvá atómová bomba. Na kopcoch, dvadsať míľ od miesta výbuchu, sa nachádzal
Z knihy Ruskí bádatelia - sláva a hrdosť Ruska autora Glazyrin Maxim YurievichAtómové reaktory a elektronické kryštály Konstantin Chilovsky (nar. 1881), ruský inžinier, vynálezca. Vynašiel zariadenie na detekciu ponoriek, ktoré sa hojne využívalo počas prvej svetovej vojny (1914–1918). Za svoj vynález mu bol udelený francúzsky rád.
Vedeckým svetom sa rozšírila senzácia – čas sa z nášho Vesmíru vyparuje! Zatiaľ je to len hypotéza španielskych astrofyzikov. Ale to, že tok času na Zemi a vo vesmíre je rozdielne, už dokázali vedci. Čas pod vplyvom gravitácie plynie pomalšie, zrýchľuje sa, keď sa vzďaľuje od planéty. Úlohu synchronizácie pozemského a kozmického času vykonávajú vodíkové frekvenčné štandardy, ktoré sa tiež nazývajú „atómové hodiny“.
Prvý atómový čas sa objavil spolu so vznikom astronautiky v polovici 20. rokov. V súčasnosti sa atómové hodiny stali každodennou vecou, každý z nás ich používa každý deň: s ich pomocou funguje digitálna komunikácia, GLONASS, navigácia a doprava.
Majitelia mobilných telefónov sotva premýšľajú o tom, aká zložitá práca sa vykonáva vo vesmíre pre prísnu synchronizáciu času, a to hovoríme len o milióntinach sekundy.
Presný časový štandard je uložený v Moskovskom regióne vo Vedeckom inštitúte fyzikálno-technických a rádiotechnických meraní. Na svete je 450 takýchto hodiniek.
Rusko a USA majú monopol na atómové hodiny, ale v USA hodiny fungujú na báze cézia, rádioaktívneho kovu, ktorý je veľmi škodlivý pre životné prostredie, a v Rusku na báze vodíka, bezpečnejšieho a odolnejšieho materiálu.
Tieto hodinky nemajú ciferník ani ručičky: vyzerajú ako veľký sud vzácnych a cenných kovov, naplnený najmodernejšími technológiami – vysoko presnými meracími prístrojmi a zariadeniami s atómovými štandardmi. Proces ich tvorby je veľmi dlhý, zložitý a prebieha v podmienkach absolútnej sterility.
Už 4 roky študujú hodiny nainštalované na ruskom satelite temnú energiu. Podľa ľudských štandardov strácajú presnosť o 1 sekundu v priebehu mnohých miliónov rokov.
Veľmi skoro budú na Spektr-M, vesmírnom observatóriu, nainštalované atómové hodiny, ktoré uvidia, ako vznikajú hviezdy a exoplanéty, a budú sa pozerať za okraj čiernej diery v strede našej Galaxie. Podľa vedcov tu kvôli obludnej gravitácii plynie čas tak pomaly, že sa takmer zastaví.
tvroscosmos
, Galileo) sú nemožné bez atómových hodín. Atómové hodiny sa používajú aj v satelitných a pozemných telekomunikačných systémoch, vrátane základných staníc mobilných telefónov, medzinárodných a národných štandardizačných úradov a časových služieb, ktoré periodicky vysielajú časové signály cez rádio.
Hodinové zariadenie
Hodinky sa skladajú z niekoľkých častí:
- kvantový diskriminátor,
- komplex elektroniky.
Národné centrá frekvenčných štandardov
Mnoho krajín vytvorilo národné centrá časových a frekvenčných noriem:
- (VNIIFTRI), obec Mendeleevo, Moskovská oblasť;
- (NIST), Boulder (USA, Colorado);
- National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tokio (Japonsko);
- Federálna fyzikálna a technická agentúra (nemčina)(PTB), Braunschweig (Nemecko);
- Národné laboratórium metrológie a skúšobníctva (francúzština)(LNE), Paríž (Francúzsko).
- Národné fyzikálne laboratórium Spojeného kráľovstva (NPL), Londýn, Spojené kráľovstvo.
Vedci z rôznych krajín pracujú na zlepšení atómových hodín a na ich základe sa udávajú primárne časové a frekvenčné štandardy, presnosť takýchto hodín sa neustále zvyšuje. V Rusku prebieha rozsiahly výskum zameraný na zlepšenie výkonu atómových hodín v r.
Typy atómových hodín
Nie každý atóm (molekula) je vhodný ako diskriminátor pre atómové hodiny. Vyberajú sa atómy, ktoré sú necitlivé na rôzne vonkajšie vplyvy: magnetické, elektrické a elektromagnetické polia. Takéto atómy sú v každom rozsahu spektra elektromagnetického žiarenia. Sú to: atómy vápnika, rubídia, cézia, stroncia, molekuly vodíka, jódu, metánu, oxidu osmičelého atď. Ako hlavný (primárny) frekvenčný štandard bol zvolený hyperjemný prechod atómu cézia. Výkon všetkých ostatných (sekundárnych) noriem sa porovnáva s týmto štandardom. Na takéto porovnanie sa v súčasnosti používajú takzvané optické hrebene. (Angličtina)- žiarenie so širokým frekvenčným spektrom vo forme ekvidištantných čiar, ktorých vzdialenosť je viazaná na atómový frekvenčný štandard. Optické hrebene sa vyrábajú pomocou femtosekundového lasera s uzamknutým režimom a mikroštruktúrovaného optického vlákna, v ktorom je spektrum rozšírené na jednu oktávu.
V roku 2006 vedci z Amerického národného inštitútu pre štandardy a technológie pod vedením Jima Bergquista vyvinuli hodiny fungujúce na jedinom atóme. Prechody medzi energetickými hladinami ortuťového iónu generujú fotóny vo viditeľnom rozsahu so stabilitou 5-krát vyššou ako mikrovlnné žiarenie cézia-133. Nové hodiny môžu nájsť uplatnenie aj pri štúdiách závislosti zmien základných fyzikálnych konštánt od času. Od apríla 2015 boli najpresnejšie atómové hodiny tie, ktoré vytvoril americký Národný inštitút pre štandardy a technológie. Chyba bola len jedna sekunda za 15 miliárd rokov. Jednou z možných aplikácií hodín bola relativistická geodézia, ktorej hlavnou myšlienkou je využitie siete hodín ako gravitačných senzorov, ktoré pomôžu vykonávať neuveriteľne podrobné trojrozmerné merania tvaru Zeme.
Prebieha aktívny vývoj kompaktných atómových hodín pre použitie v každodennom živote (náramkové hodinky, mobilné zariadenia). Začiatkom roku 2011 americká spoločnosť Symetrickom oznámila komerčné uvedenie céziových atómových hodín s veľkosťou malého čipu. Hodiny fungujú na základe efektu koherentného zachytávania populácie. Ich stabilita je 5 10 -11 za hodinu, hmotnosť 35 g, príkon 115 mW.
Poznámky
- Nová sada záznamov presnosti atómových hodín (nedefinované)
