Kratka istorija pojave atomskih instrumenata za merenje vremena. Najprecizniji sat na svijetu - kvantni

Atomski sat je uređaj za vrlo precizno mjerenje vremena. Ime su dobili po principu rada, budući da se kao tačka koriste prirodne vibracije molekula ili atoma. Atomski satovi se široko koriste u navigaciji, svemirskoj industriji, satelitskom pozicioniranju, vojsci, detekciji aviona i telekomunikacijama.

Kao što vidite, postoji mnogo područja primjene, ali zašto im je svima potrebna takva preciznost, jer je danas greška običnih atomskih satova samo 1 sekunda u 30 miliona godina? Ali postoji još preciznija. Sve je razumljivo, jer se za izračunavanje udaljenosti koristi vrijeme, a tu mala greška može dovesti do stotina metara, pa čak i kilometara, ako uzmemo kosmičke udaljenosti. Na primjer, uzmimo američki GPS navigacijski sistem, kada se koristi konvencionalni elektronski sat u prijemniku, greška u mjerenju koordinata će biti prilično značajna, što može uticati na sve ostale proračune, a to može dovesti do posljedica kada su svemirske tehnologije u pitanju . Naravno, za GPS prijemnike u mobilnim uređajima i drugim napravama veća preciznost uopće nije bitna.

Najtačnije vrijeme u Moskvi i svijetu može se pronaći na službenoj web stranici - "serveru tačnog trenutnog vremena" www.timeserver.ru

Od čega su napravljeni atomski satovi?

Atomski sat se sastoji od nekoliko glavnih dijelova: kvarcnog oscilatora, kvantnog diskriminatora i elektronskih blokova. Glavna referentna postavka je kvarcni oscilator, koji je izgrađen na kvarcnim kristalima i, po pravilu, proizvodi standardnu ​​frekvenciju od 10, 5, 2,5 MHz. Budući da je stabilan rad kvarca bez greške prilično mali, mora se stalno prilagođavati.

Kvantni diskriminator fiksira frekvenciju atomske linije, a ona se u komparatoru frekvencije i faze upoređuje sa frekvencijom kvarcnog oscilatora. Komparator ima povratnu informaciju kristalnom oscilatoru da ga prilagodi u slučaju neusklađenosti frekvencije.
Atomski satovi se ne mogu izgraditi na svim atomima. Najoptimalniji je atom cezija. Odnosi se na primarnu s kojom se upoređuju svi drugi odgovarajući materijali, kao što su, na primjer: stroncij, rubidij, kalcij. Primarni etalon je apsolutno pogodan za mjerenje tačnog vremena, zbog čega se naziva primarnim.

Najprecizniji atomski sat na svijetu

Izlaziti s najprecizniji atomski sat su u UK (zvanično prihvaćeno). Njihova greška je samo 1 sekunda u 138 miliona godina. Oni su standard za nacionalne standarde vremena mnogih zemalja, uključujući Sjedinjene Države, a također određuju međunarodno atomsko vrijeme. Ali u kraljevstvu ne postoje najprecizniji satovi na Zemlji.

najpreciznija fotografija atomskog sata

SAD su tvrdile da su razvile eksperimentalni tip preciznog sata zasnovanog na atomima cezijuma, sa greškom od 1 sekunde u skoro 1,5 milijardi godina. Nauka u ovoj oblasti ne miruje i razvija se velikom brzinom.

Prvo, sat koristi čovječanstvo kao sredstvo programske kontrole vremena.

Drugo, danas je mjerenje vremena ujedno i najtačnija vrsta mjerenja od svih provedenih: tačnost mjerenja vremena sada je određena nevjerovatnom greškom reda veličine 1 10-11%, ili 1 s u 300 hiljada godina.

A moderni ljudi su postigli takvu preciznost kada su počeli da koriste atomi, koji su, kao rezultat svojih oscilacija, regulator atomskog sata. Atomi cezijuma su u dva energetska stanja koja su nam potrebna (+) i (-). Elektromagnetno zračenje sa frekvencijom od 9.192.631.770 herca nastaje kada se atomi kreću iz stanja (+) u (-), stvarajući precizan konstantan periodični proces - kontroler koda atomskog sata.

Da bi atomski satovi radili tačno, cezijum mora da se ispari u peći, usled čega se njegovi atomi izbacuju. Iza peći je magnet za sortiranje, koji ima kapacitet atoma u (+) stanju, a u njemu, zbog zračenja u mikrotalasnom polju, atomi prelaze u (-) stanje. Drugi magnet usmjerava atome koji su promijenili stanje (+) u (-) na uređaj za prijem. Mnogi atomi koji su promenili svoje stanje dobijaju se samo ako se frekvencija mikrotalasnog emitera tačno poklapa sa frekvencijom vibracija cezijuma 9 192 631 770 herca. U suprotnom, broj atoma (-) u prijemniku se smanjuje.

Instrumenti stalno prate i prilagođavaju konstantnost frekvencije 9 192 631 770 herca. Dakle, san dizajnera satova se ostvario, pronađen je apsolutno konstantan periodični proces: frekvencija od 9.192.631.770 herca, koja regulira tok atomskih satova.

Danas, kao rezultat međunarodnog sporazuma, drugi je definisan kao period zračenja pomnožen sa 9.192.631.770, što odgovara prelazu između dva hiperfina strukturna nivoa osnovnog stanja atoma cezijuma (izotop cezijum-133).

Za mjerenje tačnog vremena možete koristiti i vibracije drugih atoma i molekula, kao što su atomi kalcija, rubidijuma, cezijuma, stroncijuma, molekula vodonika, joda, metana itd. Međutim, zračenje atoma cezijuma se prepoznaje kao frekvencijski standard. Kako bi se uporedile vibracije različitih atoma sa standardom (cezijem), kreiran je titan-safir laser koji generiše širok frekvencijski raspon u rasponu od 400 do 1000 nm.

Prvi tvorac kvarcnih i atomskih satova bio je engleski eksperimentalni fizičar Essen Lewis (1908-1997). Godine 1955. stvorio je prvi standard atomske frekvencije (vremena) na snopu atoma cezijuma. Kao rezultat ovog rada, 3 godine kasnije (1958.) pojavila se vremenska služba zasnovana na standardu atomske frekvencije.

U SSSR-u je akademik Nikolaj Genadijevič Basov iznio svoje ideje za stvaranje atomskih satova.

dakle, atomski sat, jedan od tačnih tipova satova je uređaj za mjerenje vremena, gdje se prirodne oscilacije atoma ili molekula koriste kao klatno. Stabilnost atomskih satova je najbolja među svim postojećim tipovima satova, što je ključ najveće tačnosti. Generator atomskog sata proizvodi više od 32.768 impulsa u sekundi, za razliku od konvencionalnih satova. Oscilacije atoma ne ovise o temperaturi zraka, vibracijama, vlažnosti i mnogim drugim vanjskim faktorima.

U modernom svijetu, kada je navigacija jednostavno neophodna, atomski satovi su postali nezamjenjivi pomoćnici. Oni su u stanju da odrede lokaciju svemirskog broda, satelita, balističke rakete, aviona, podmornice, automobila automatski putem satelitskih komunikacija.

Tako se posljednjih 50 godina atomski satovi, odnosno cezijumski satovi, smatraju najtačnijim. Odavno ih koriste službe za mjerenje vremena, a vremenske signale emituju i neke radio stanice.

Uređaj za atomski sat se sastoji od 3 dijela:

kvantni diskriminator,

kvarcni oscilator,

elektronski kompleks.

Kvarcni oscilator generiše frekvenciju (5 ili 10 MHz). Oscilator je RC radio generator, u kojem se piezoelektrični modovi kvarcnog kristala koriste kao rezonantni element, gdje se porede atomi koji su promijenili stanje (+) u (-).Da bi se povećala stabilnost, njegova frekvencija je konstantno u poređenju sa vibracijama kvantnog diskriminatora (atoma ili molekula). Kada postoji razlika u oscilacijama, elektronika podešava frekvenciju kvarcnog oscilatora na nulu, čime se povećava stabilnost i tačnost sata na željeni nivo.

U današnjem svijetu atomski satovi se mogu napraviti u bilo kojoj zemlji na svijetu za upotrebu u svakodnevnom životu. Vrlo su male veličine i lijepe. Veličina najnovijeg noviteta atomskih satova nije veća od kutije šibica, a njihova niska potrošnja energije je manja od 1 vata. I to nije granica, možda će u budućnosti tehnološki napredak doći do mobilnih telefona. U međuvremenu, kompaktni atomski satovi ugrađeni su samo na strateške rakete kako bi se višestruko povećala preciznost navigacije.

Danas se u online trgovinama mogu kupiti muški i ženski atomski satovi za svaki ukus i budžet.

2011. godine, Symmetricom i Nacionalna laboratorija Sandia kreirali su najmanji atomski sat na svijetu. Ovaj sat je 100 puta kompaktniji od prethodnih komercijalno dostupnih verzija. Veličina atomskog hronometra nije veća od kutije šibica. Za rad mu je potrebno 100 mW snage, što je 100 puta manje od njegovih prethodnika.

Bilo je moguće smanjiti veličinu sata ugradnjom umjesto opruga i zupčanika mehanizma koji radi na principu određivanja frekvencije elektromagnetnih valova koje emituju atomi cezija pod utjecajem laserskog snopa zanemarljive snage.

Ovakvi satovi se koriste u navigaciji, kao iu radu rudara, ronilaca, gdje je potrebno precizno sinhronizirati vrijeme sa kolegama na površini, kao i tačnim servisima vremena, jer je greška atomskih satova manja od 0,000001 frakcije od sekunde dnevno. Cijena rekordno malog atomskog sata Symmetricom iznosila je oko 1.500 dolara.

Kada se svetlo iznenada ugasi i ponovo upali malo kasnije, kako znate u koje vreme treba podesiti sat? Da, govorim o elektronskim satovima, koje mnogi od nas vjerovatno imaju. Jeste li ikada razmišljali o tome kako je vrijeme regulirano? U ovom članku ćemo naučiti sve o atomskim satovima i kako oni čine da cijeli svijet otkucava.

Da li su atomski satovi radioaktivni?

Atomski satovi pokazuju vrijeme bolje od bilo kojeg drugog sata. Oni govore vrijeme bolje od rotacije Zemlje i kretanja zvijezda. Bez atomskih satova GPS navigacija bi bila nemoguća, internet ne bi bio sinhronizovan, a položaj planeta ne bi bio poznat sa dovoljnom tačnošću za svemirske sonde i vozila.

Atomski satovi nisu radioaktivni. Ne oslanjaju se na atomsko raspadanje. Štaviše, imaju oprugu, baš kao i obični satovi. Najveća razlika između standardnih i atomskih satova je u tome što se oscilacije u atomskom satu javljaju u jezgri atoma između okolnih elektrona. Ove oscilacije se teško mogu nazvati paralelnim sa točkom za ravnotežu u satu na navijanje, ali se oba tipa oscilacija mogu koristiti za praćenje vremena koje prolazi. Frekvencija oscilovanja unutar atoma određena je masom jezgra, gravitacijom i elektrostatičkom "oprugom" između pozitivnog naboja jezgre i oblaka elektrona oko njega.

Koje vrste atomskih satova poznajemo?

Danas postoje različite vrste atomskih satova, ali su izgrađeni na istim principima. Glavna razlika se odnosi na element i način otkrivanja promjena u energetskom nivou. Među različitim vrstama atomskih satova, postoje sljedeće:

• Atomski satovi cezija koji koriste snopove atoma cezijuma. Sat magnetnim poljem razdvaja atome cezijuma sa različitim nivoima energije.
• Atomski sat vodika održava atome vodika na pravom energetskom nivou u posudi čiji su zidovi napravljeni od posebnog materijala, tako da atomi ne gube svoje visoko energetsko stanje prebrzo.
• Rubidijum atomski sat, najjednostavniji i najkompaktniji od svih, koristi staklenu ćeliju napunjenu gasom rubidijum.

Najprecizniji atomski satovi danas koriste atom cezija i konvencionalno magnetno polje sa detektorima. Osim toga, atome cezija zadržavaju laserske zrake, što smanjuje male promjene frekvencije zbog Doplerovog efekta.

Kako rade atomski satovi zasnovani na cezijumu?

Atomi imaju karakterističnu frekvenciju vibracija. Poznat primjer frekvencije je narandžasti sjaj natrijuma u kuhinjskoj soli kada se baci u vatru. Atom ima mnogo različitih frekvencija, neke u radio opsegu, neke u vidljivom spektru, a neke između. Cezijum-133 se najčešće bira za atomske satove.

Da bi se izazvala rezonancija atoma cezijuma u atomskom satu, jedan od prelaza, odnosno rezonantna frekvencija, mora biti precizno izmeren. Ovo se obično radi blokiranjem kristalnog oscilatora u osnovnoj mikrotalasnoj rezonanciji atoma cezija. Ovaj signal je u mikrotalasnom opsegu radiofrekventnog spektra i ima istu frekvenciju kao i signali sa satelita za direktno emitovanje. Inženjeri znaju kako da naprave opremu za ovo područje spektra, do najsitnijih detalja.

Da bi se stvorio sat, cezijum se prvo zagreva tako da atomi ispare i prođu kroz cijev visokog vakuuma. Prvo, prolaze kroz magnetno polje, koje bira atome sa željenim energetskim stanjem; zatim prolaze kroz intenzivno mikrotalasno polje. Frekvencija mikrotalasne energije skače napred-nazad u uskom opsegu frekvencija, tako da u nekom trenutku dostiže frekvenciju od 9,192,631,770 herca (Hz, ili ciklusa u sekundi). Raspon mikrovalnog oscilatora je već blizu ove frekvencije, budući da ga proizvodi precizan kristalni oscilator. Kada atom cezija primi mikrovalnu energiju željene frekvencije, mijenja svoje energetsko stanje.

Na kraju cijevi, drugo magnetsko polje razdvaja atome, koji su promijenili svoje energetsko stanje ako je mikrovalno polje bilo na pravoj frekvenciji. Detektor na kraju cijevi daje izlaz proporcionalan broju atoma cezijuma koji su ga pogodili, a vrhunac dostiže kada je frekvencija mikrovalova dovoljno tačna. Ovaj vršni signal je potreban za korekciju kako bi se kristalni oscilator, a time i mikrotalasno polje, doveo na željenu frekvenciju. Ova zaključana frekvencija se zatim dijeli sa 9.192.631.770 da bi se dobio poznati jedan puls u sekundi koji je potreban stvarnom svijetu.

Kada je izumljen atomski sat?

Godine 1945., profesor fizike sa Univerziteta Kolumbija Isidore Rabi predložio je sat koji bi mogao biti napravljen korištenjem tehnika razvijenih 1930-ih. Zvao se atomski snop magnetne rezonance. Do 1949. godine Nacionalni biro za standarde je objavio stvaranje prvog atomskog sata na svijetu zasnovanog na molekulu amonijaka, čije su vibracije očitane, a do 1952. godine stvorio je prvi atomski sat na svijetu baziran na atomima cezijuma, NBS-1.

Godine 1955. Nacionalna fizička laboratorija u Engleskoj napravila je prvi sat koristeći cezijumski snop kao izvor kalibracije. Tokom sljedeće decenije stvoreni su napredniji satovi. Godine 1967, tokom 13. Generalne konferencije o utezima i mjerama, SI sekunda je određena na osnovu vibracija u atomu cezijuma. Nije bilo bolje definicije u svjetskom sistemu mjerenja vremena od ove. NBS-4, najstabilniji cezijumski sat na svetu, završen je 1968. godine i bio je u upotrebi do 1990. godine.

Atomski satovi visoke preciznosti koji prave grešku od jedne sekunde u 300 miliona godina. Ovaj sat, koji je zamijenio stari model koji je imao grešku od jedne sekunde u stotinu miliona godina, sada postavlja standard za američko građansko vrijeme. Lenta.ru je odlučio podsjetiti na istoriju stvaranja atomskih satova.

Prvi atom

Da bi se napravio sat, dovoljno je koristiti bilo koji periodični proces. A istorija nastanka instrumenata za merenje vremena je delimično istorija pojave bilo novih izvora energije ili novih oscilatornih sistema koji se koriste u satovima. Najjednostavniji sat je vjerovatno sunčani sat, koji zahtijeva samo sunce i predmet koji baca sjenu da bi radio. Nedostaci ove metode određivanja vremena su očigledni. Ni voda i pješčani satovi nisu ništa bolji: oni su prikladni samo za mjerenje relativno kratkih vremenskih perioda.

Najstariji mehanički sat pronađen je 1901. godine u blizini ostrva Antikitera na potopljenom brodu u Egejskom moru. Sadrže oko 30 bronzanih zupčanika u drvenom kućištu dimenzija 33 x 18 x 10 centimetara i datiraju iz oko 100. godine prije nove ere.

Gotovo dvije hiljade godina mehanički satovi su bili najprecizniji i najpouzdaniji. Pojava 1657. klasičnog djela Christiana Huygensa "Sat s klatnom" ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica") s opisom vremenske referentne naprave s klatnom kao oscilirajućim sistemom, vjerovatno je bila apogej u istoriji razvoja mehaničkih uređaja ovog tipa.

Međutim, astronomi i navigatori su i dalje koristili zvjezdano nebo i karte kako bi odredili svoju lokaciju i točno vrijeme. Prvi električni sat izumio je 1814. godine Francis Ronalds. Međutim, prvi takav instrument bio je neprecizan zbog svoje osjetljivosti na promjene temperature.

Dalja istorija satova povezana je sa upotrebom različitih oscilatornih sistema u uređajima. Uvedeni 1927. od strane zaposlenika Bell Labsa, kvarcni satovi su koristili piezoelektrična svojstva kvarcnog kristala: kada se na njega dovede električna struja, kristal počinje da se skuplja. Moderni kvarcni hronometri mogu postići tačnost do 0,3 sekunde mjesečno. Međutim, budući da je kvarc podložan starenju, vremenom sat postaje manje precizan.

S razvojem atomske fizike, naučnici su predložili korištenje čestica materije kao oscilatornih sistema. Tako se pojavio prvi atomski sat. Ideju o korištenju atomskih vibracija vodonika za mjerenje vremena predložio je još 1879. godine engleski fizičar Lord Kelvin, ali je to postalo moguće tek sredinom 20. stoljeća.

Reprodukcija slike Huberta von Herkomera (1907.)

1930-ih, američki fizičar i otkrivač nuklearne magnetne rezonancije, Isidore Rabi, počeo je raditi na atomskim satovima cezij-133, ali ga je spriječio izbijanje rata. Već nakon rata, 1949. godine, u Američkom nacionalnom komitetu za standarde stvoren je prvi molekularni sat koji koristi molekule amonijaka uz učešće Harolda Lyonsona. Ali prvi takvi instrumenti za mjerenje vremena nisu bili tako precizni kao moderni atomski satovi.

Relativno niska točnost bila je posljedica činjenice da se zbog interakcije molekula amonijaka međusobno i sa zidovima posude u kojoj se nalazila ova tvar, energija molekula promijenila i njihove spektralne linije su se proširile. Ovaj efekat je vrlo sličan trenju u mehaničkom satu.

Kasnije, 1955. godine, Louis Esssen iz britanske Nacionalne fizičke laboratorije predstavio je prvi atomski sat sa cezijumom-133. Ovaj sat je akumulirao grešku od jedne sekunde u milion godina. Uređaj je dobio naziv NBS-1 i počeo se smatrati standardom frekvencije za cezijum.

Šema strujnog kruga atomskog sata sastoji se od kristalnog oscilatora kojim upravlja diskriminator povratne sprege. Oscilator koristi piezoelektrična svojstva kvarca, dok diskriminator koristi energetske vibracije atoma, tako da se vibracije kvarca prate signalima sa prelaza sa različitih energetskih nivoa u atomima ili molekulima. Između generatora i diskriminatora nalazi se kompenzator koji je podešen na frekvenciju atomskih vibracija i upoređuje je sa frekvencijom vibracije kristala.

Atomi koji se koriste u satu moraju osigurati stabilne vibracije. Svaka frekvencija elektromagnetnog zračenja ima svoje atome: kalcijum, stroncijum, rubidijum, cezijum, vodonik. Ili čak molekule amonijaka i joda.

vremenski standard

Pojavom atomskih instrumenata za mjerenje vremena postalo je moguće koristiti ih kao univerzalni standard za određivanje sekunde. Od 1884. Greenwich vrijeme, koje se smatra svjetskim standardom, ustupilo je mjesto standardu atomskih satova. Godine 1967. odlukom 12. Generalne konferencije za utege i mjere jedna sekunda je definirana kao trajanje 9192631770 perioda zračenja koji odgovara prijelazu između dva hiperfina nivoa osnovnog stanja atoma cezijuma-133. Ova definicija sekunde ne ovisi o astronomskim parametrima i može se reproducirati bilo gdje na planeti. Cezijum-133, koji se koristi u standardnom atomskom satu, jedini je stabilan izotop cezijuma sa 100% zastupljenosti na Zemlji.

Atomski satovi se takođe koriste u satelitskom navigacionom sistemu; neophodni su za određivanje tačnog vremena i koordinata satelita. Dakle, svaki satelit GPS sistema ima četiri seta takvih satova: dva rubidijuma i dva cezija, koji obezbeđuju tačnost prenosa signala od 50 nanosekundi. Ruski sateliti GLONASS sistema imaju i instrumente za atomsko mjerenje vremena cezijuma i rubidijuma, a sateliti evropskog geopozicionog sistema Galileo koji se razvijaju opremljeni su vodoničnim i rubidijumskim.

Preciznost vodoničnih satova je najveća. To je 0,45 nanosekundi u 12 sati. Očigledno će Galileo korištenje ovako preciznih satova dovesti ovaj navigacijski sistem do izražaja 2015. godine, kada će njegovih 18 satelita biti u orbiti.

Kompaktni atomski sat

Hewlett-Packard je bila prva kompanija koja je razvila kompaktni atomski sat. Godine 1964. stvorila je cezijumski instrument HP 5060A, veličine velikog kofera. Kompanija je nastavila da razvija ovaj pravac, ali je od 2005. prodala svoju diviziju za atomski sat Symmetricomu.

Godine 2011. Draper Laboratories i Sandia National Laboratories su razvili i Symmetricom je objavio prvi Quantum minijaturni atomski sat. U trenutku puštanja u prodaju koštali su oko 15 hiljada dolara, bili su zatvoreni u zapečaćenoj kutiji dimenzija 40 x 35 x 11 milimetara i težili su 35 grama. Potrošnja energije sata bila je manja od 120 milivata. U početku su razvijeni po narudžbi Pentagona i trebali su služiti navigacijskim sistemima koji funkcionišu nezavisno od GPS sistema, na primjer, duboko pod vodom ili kopnom.

Već krajem 2013. godine američka kompanija Bathys Hawaii predstavila je prvi "ručni" atomski sat. Oni koriste SA.45s čip koji proizvodi Symmetricom kao glavnu komponentu. Unutar čipa je kapsula sa cezijem-133. Dizajn sata takođe uključuje fotoćelije i laser male snage. Potonji osigurava zagrijavanje plinovitog cezijuma, uslijed čega njegovi atomi počinju da se kreću s jednog energetskog nivoa na drugi. Merenje vremena se upravo vrši fiksiranjem takvog prelaza. Cijena novog uređaja je oko 12 hiljada dolara.

Trendovi ka minijaturizaciji, autonomiji i preciznosti dovest će do toga da će se u bliskoj budućnosti pojaviti novi uređaji koji koriste atomske satove u svim oblastima ljudskog života, od svemirskih istraživanja na orbitalnim satelitima i stanicama do domaćih aplikacija u unutrašnjim i ručnim sistemima.