Атомни часовници: точното време е ключът към напредъка. Атомен часовник Час за проверка на атомния часовник

Миналата година, 2012, отбеляза четиридесет и пет години, откакто човечеството реши да използва атомно отчитане на времето, за да измерва времето възможно най-точно. През 1967 г. международната категория време престана да се определя от астрономически скали - те бяха заменени от цезиевия честотен стандарт. Именно той получи сега популярното име - атомен часовник. Точното време, което позволяват да се определи, има незначителна грешка от една секунда на три милиона години, което им позволява да бъдат използвани като времеви стандарт във всяко кътче на света.

Малко история

Самата идея за използване на атомни вибрации за свръхпрецизно измерване на времето е изразена за първи път през 1879 г. от британския физик Уилям Томсън. Този учен предложи използването на водород като емитер на резонаторни атоми. Първите опити идеята да се приложи на практика са направени едва през 40-те години. двадесети век. Първият в света работещ атомен часовник се появява през 1955 г. във Великобритания. Техен създател е британският физик експериментатор д-р Луис Есен. Тези часовници работеха на базата на вибрации на атоми цезий-133 и благодарение на тях учените най-накрая успяха да измерват времето с много по-голяма точност от преди. Първото устройство на Есен допусна грешка от не повече от секунда за всеки сто години, но впоследствие се увеличи многократно и грешката за секунда може да се натрупа само за 2-3 сто милиона години.

Атомен часовник: принцип на действие

Как работи това умно „устройство“? Атомните часовници използват молекули или атоми на квантово ниво като генератор на резонансна честота. установява връзка между системата "атомно ядро ​​- електрони" и няколко дискретни енергийни нива. Ако върху такава система се въздейства със строго определена честота, тогава ще настъпи преход на тази система от ниско ниво към високо ниво. Възможен е и обратният процес: преминаването на атома от по-високо ниво към по-ниско, придружено от излъчване на енергия. Тези явления могат да бъдат контролирани и всички енергийни скокове могат да бъдат записани чрез създаване на нещо като осцилаторна верига (наричана още атомен осцилатор). Неговата резонансна честота ще съответства на енергийната разлика между съседните атомни преходни нива, разделена на константата на Планк.

Такава осцилаторна верига има неоспорими предимства в сравнение със своите механични и астрономически предшественици. За един такъв атомен осцилатор резонансната честота на атомите на всяко вещество ще бъде една и съща, което не може да се каже за махала и пиезокристали. Освен това атомите не променят свойствата си с времето и не се износват. Следователно атомните часовници са изключително точни и практически вечни хронометри.

Точно време и модерни технологии

Телекомуникационни мрежи, сателитни комуникации, GPS, NTP сървъри, електронни транзакции на фондовата борса, интернет търгове, процедурата за закупуване на билети чрез Интернет - всички тези и много други явления отдавна са твърдо установени в нашия живот. Но ако човечеството не беше изобретило атомните часовници, всичко това просто нямаше да се случи. Точното време, синхронизирането с което ви позволява да сведете до минимум всякакви грешки, закъснения и забавяния, позволява на човек да се възползва максимално от този безценен незаменим ресурс, от който никога няма твърде много.

Нов тласък в развитието на устройствата за измерване на времето дадоха атомните физици.

През 1949 г. е построен първият атомен часовник, където източникът на трептения не е махало или кварцов осцилатор, а сигнали, свързани с квантовия преход на електрон между две енергийни нива на атом.

На практика такива часовници се оказаха не много точни, освен това бяха обемисти и скъпи и не бяха широко използвани. Тогава беше решено да се обърнем към химическия елемент цезий. А през 1955 г. се появяват първите атомни часовници, базирани на атоми на цезий.

През 1967 г. беше решено да се премине към стандарта за атомно време, тъй като въртенето на Земята се забавя и величината на това забавяне не е постоянна. Това направи работата на астрономите и часовниците много по-трудна.

В момента Земята се върти със скорост от около 2 милисекунди на 100 години.

Колебанията в продължителността на деня също достигат хилядни от секундата. Следователно точността на средното време по Гринуич (общоприето като световен стандарт от 1884 г.) е станала недостатъчна. През 1967 г. се извършва преходът към стандарта за атомно време.

Днес една секунда е период от време, точно равен на 9 192 631 770 периода на излъчване, което съответства на прехода между две свръхфини нива на основното състояние на атома Цезий 133.

В момента координираното универсално време се използва като времева скала. Формира се от Международното бюро за мерки и теглилки чрез комбиниране на данни от лаборатории за съхранение на времето на различни страни, както и данни от Международната служба за въртене на Земята. Неговата точност е почти милион пъти по-висока от астрономическото време по Гринуич.

Разработена е технология, която радикално ще намали размера и цената на свръхпрецизните атомни часовници, което ще направи възможно широкото им използване в мобилни устройства за най-различни цели. Учените успяха да създадат атомен стандарт за време с ултрамалък размер. Такива атомни часовници консумират по-малко от 0,075 W и имат грешка от не повече от една секунда за 300 години.

Американска изследователска група успя да създаде ултракомпактен атомен стандарт. Стана възможно захранването на атомни часовници от обикновени АА батерии. Свръхпрецизни атомни часовници, обикновено високи най-малко метър, бяха поставени в обем от 1,5x1,5x4 mm

В САЩ е разработен експериментален атомен часовник, базиран на един живачен йон. Те са пет пъти по-точни от цезия, който е приет за международен стандарт. Цезиевите часовници са толкова точни, че ще са необходими 70 милиона години, за да се постигне разлика от една секунда, докато за живачните часовници този период ще бъде 400 милиона години.

През 1982 г. нов астрономически обект - милисекунден пулсар - се намеси в спора между астрономическата дефиниция на стандарта за време и атомния часовник, който го спечели. Тези сигнали са стабилни като най-добрите атомни часовници

Знаеше ли?

Първите часовници в Русия

През 1412 г. в Москва в двора на великия княз зад църквата „Благовещение“ е поставен часовник, направен от Лазар, сръбски монах, който идва от сръбската земя. За съжаление не е запазено описание на тези първи часовници в Русия.

________

Как се появи звънещият часовник на Спаската кула на Московския Кремъл?

През 17 век англичанинът Кристофър Галоуей прави камбани за Спаската кула: часовият кръг е разделен на 17 сектора, единствената стрелка на часовника е неподвижна, насочена надолу и сочеща към някакво число на циферблата, но самият циферблат се върти.

Често чуваме фразата, че атомните часовници винаги показват точния час. Но от името им е трудно да се разбере защо атомните часовници са най-точни или как работят.

Това, че името съдържа думата „атомен“, не означава, че часовникът представлява опасност за живота, дори ако мислите за атомна бомба или атомна електроцентрала веднага идват на ум. В случая говорим само за принципа на работа на часовника. Ако в обикновения механичен часовник колебателните движения се извършват от зъбни колела и техните движения се отчитат, то в атомния часовник се отчитат трептенията на електроните вътре в атомите. За да разберем по-добре принципа на действие, нека си припомним физиката на елементарните частици.

Всички вещества в нашия свят са изградени от атоми. Атомите се състоят от протони, неутрони и електрони. Протоните и неутроните се комбинират помежду си, за да образуват ядро, което също се нарича нуклон. Електроните се движат около ядрото, което може да бъде на различни енергийни нива. Най-интересното е, че при поглъщане или освобождаване на енергия електронът може да премине от енергийното си ниво към по-високо или по-ниско. Електронът може да получи енергия от електромагнитно излъчване, като поглъща или излъчва електромагнитно излъчване с определена честота при всеки преход.

Най-често има часовници, в които за смяна се използват атоми на елемента Цезий -133. Ако за 1 секунда махалото редовен часовникправи 1 трептящо движение, след което електроните в атомните часовницибазирани на цезий-133, при преход от едно енергийно ниво към друго те излъчват електромагнитно излъчване с честота 9192631770 Hz. Оказва се, че една секунда се дели на точно толкова интервали, ако се изчислява в атомни часовници. Тази стойност е официално приета от международната общност през 1967 г. Представете си огромен циферблат с не 60, а 9192631770 деления, които съставляват само 1 секунда. Не е изненадващо, че атомните часовници са толкова точни и имат редица предимства: атомите не са подложени на стареене, не се износват и честотата на трептене винаги ще бъде една и съща за един химически елемент, благодарение на което е възможно синхронно сравнявайте, например, показанията на атомните часовници далеч в космоса и на Земята, без страх от грешки.

Благодарение на атомните часовници човечеството успя да тества на практика правилността на теорията на относителността и да се увери, че тя е по-добра, отколкото на Земята. Атомните часовници са инсталирани на много спътници и космически кораби, използват се за телекомуникационни нужди, за мобилни комуникации и се използват за сравняване на точното време на цялата планета. Без преувеличение, благодарение на изобретяването на атомните часовници човечеството успя да навлезе в ерата на високите технологии.

Как работят атомните часовници?

Цезий-133 се нагрява чрез изпаряване на цезиеви атоми, които преминават през магнитно поле, където се избират атоми с желаните енергийни състояния.

След това избраните атоми преминават през магнитно поле с честота, близка до 9192631770 Hz, което се създава от кварцов осцилатор. Под въздействието на полето цезиевите атоми отново променят енергийните си състояния и попадат на детектор, който записва кога най-голям брой входящи атоми ще имат „правилното“ енергийно състояние. Максималният брой атоми с променено енергийно състояние показва, че честотата на микровълновото поле е избрана правилно и след това стойността му се подава в електронно устройство - честотен делител, който, намалявайки честотата с цял брой пъти, получава числото 1, което е референтната секунда.

По този начин цезиевите атоми се използват за проверка на правилната честота на магнитното поле, произведено от кристалния осцилатор, като помагат за поддържането му на постоянна стойност.

Това е интересно: Въпреки че настоящите атомни часовници са безпрецедентно точни и могат да работят милиони години без грешки, физиците няма да спрат дотук. Използвайки атоми на различни химични елементи, те непрекъснато работят за подобряване на точността на атомните часовници. Сред най-новите изобретения е атомният часовник стронций, които са три пъти по-точни от своя цезиев аналог. За да изостанат само за секунда, ще им трябват 15 милиарда години - време, надхвърлящо възрастта на нашата Вселена...

Ако намерите грешка, моля, маркирайте част от текста и щракнете Ctrl+Enter.

Атомен часовник 27 януари 2016 г

Родното място на първия в света джобен часовник с вграден атомен стандарт за време няма да бъде Швейцария или дори Япония. Идеята за тяхното създаване се заражда в сърцето на Великобритания от лондонската марка Hoptroff

Атомните часовници, или както ги наричат ​​още „квантови часовници“, са устройство, което измерва времето, използвайки естествени вибрации, свързани с процеси, протичащи на ниво атоми или молекули. Richard Hoptroff реши, че е време съвременните господа, които се интересуват от ултратехнологични устройства, да заменят механичните си джобни часовници с нещо по-екстравагантно и нетрадиционно, а също и съобразено със съвременните градски тенденции.

Така пред публика беше демонстриран елегантният на вид джобен атомен часовник Hoptroff No. 10, който може да изненада модерното поколение, изтънчено с изобилие от джаджи, не само с ретро стил и фантастична точност, но и с експлоатационния си живот. Според разработчиците, като имате този часовник със себе си, можете да останете най-точният човек поне 5 милиарда години.

Какво още интересно можете да разберете за тях...

Снимка 2.

За всички онези, които никога не са се интересували от подобни часовници, струва си да обясним накратко принципа на тяхното действие. Вътре в „атомното устройство“ няма нищо, което да прилича на класически механичен часовник. В Hoptroff No. 10 няма механични части като такива. Вместо това атомните джобни часовници са оборудвани със запечатана камера, пълна с радиоактивен газ, чиято температура се контролира от специална пещ. Точното отчитане на времето се осъществява по следния начин: лазерите възбуждат атомите на химичен елемент, който е един вид „пълнител“ на часовника, а резонаторът записва и измерва всеки атомен преход. Днес основният елемент на такива устройства е цезият. Ако си припомним системата от единици SI, тогава в нея стойността на секундата е свързана с броя на периодите на електромагнитно излъчване по време на прехода на атомите на цезий-133 от едно енергийно ниво на друго.

Снимка 3.

Ако в смартфоните сърцето на устройството се счита за процесорен чип, то в Hoptroff No. 10 тази роля се поема от модула за генериране на еталонно време. Доставя се от Symmetricom, а самият чип първоначално е бил предназначен за използване във военната индустрия - в безпилотни летателни апарати.

Атомният часовник CSAC е оборудван с термостат с контролирана температура, който съдържа камера, съдържаща цезиеви пари. Под въздействието на лазер върху атомите на цезий-133 започва преходът им от едно енергийно състояние в друго, което се измерва с помощта на микровълнов резонатор. От 1967 г. Международната система от единици (SI) определя една секунда като 9 192 631 770 периода на електромагнитно излъчване, произведено по време на прехода между две свръхфини нива на основното състояние на атом цезий-133. Въз основа на това е трудно да си представим технически по-точен часовник, базиран на цезий. С течение на времето, предвид най-новите постижения в областта на измерването на времето, точността на новите оптични часовници, базирани на алуминиев йон, пулсиращ на честотата на ултравиолетовото лъчение (100 000 пъти по-висока от микровълновите честоти на цезиевите часовници) ще бъде стотици пъти по-висока отколкото точността на атомните хронометри. Казано по-просто, новият Pocket Model No.10 на Hoptroff има грешка при работа от 0,0015 секунди на година, което е 2,4 милиона пъти по-добро от стандартите COSC.

Снимка 4.

Функционалната страна на устройството също е на ръба на фантазията. С негова помощ можете да разберете: час, дата, ден от седмицата, година, географска ширина и дължина в различни количества, налягане, влажност, звездни часове и минути, прогноза за приливи и отливи и много други показатели. Часовникът се предлага в златисто, като се планира да се използва 3D принтиране, за да се създаде корпусът му от благородния метал.

Ричард Хоптроф искрено вярва, че този конкретен вариант за създаване на неговото въображение е най-предпочитаният. За да промените леко конструктивния компонент на структурата, няма да е необходимо изобщо да реконструирате производствената линия, а да използвате функционалната гъвкавост на устройството за 3D печат за това. Въпреки това си струва да се отбележи, че прототипът на показания часовник е направен по класически начин.

Снимка 5.

Времето е много скъпо в наши дни и Hoptroff No. 10 е пряко потвърждение за това. По предварителна информация първата партида атомни устройства ще бъде 12 единици, а що се отнася до себестойността, цената на 1 екземпляр ще бъде 78 000 долара.

Снимка 6.

Според Ричард Хоптроф, управляващ директор на марката, местоположението на Хоптроф в Лондон е изиграло ключова роля за появата на тази идея. „В нашите кварцови механизми използваме високопрецизна осцилираща система с GPS сигнал. Но в центъра на Лондон не е толкова лесно да се хване точно този сигнал. Един ден, по време на пътуване до Гринуичката обсерватория, видях там атомен часовник Hewlett Packard и реших да купя нещо подобно за себе си чрез Интернет. И не можах. Вместо това попаднах на информация за чип от Symmetricon и след три дни мислене разбрах, че би бил идеален за джобен часовник.“

Въпросният чип е цезиевият атомен часовник SA.45s (CSAC), едно от първото поколение миниатюрни атомни часовници за GPS приемници, радиостанции в раница и безпилотни превозни средства. Въпреки скромните си размери (40 mm x 34,75 mm), все още е малко вероятно да се побере в ръчен часовник. Затова Hoptroff реши да ги оборудва с джобен модел с доста респектиращи размери (82 мм в диаметър).

Освен че е най-точният часовник в света, Hoptroff No 10 (десетият механизъм на марката) също претендира, че е първият златен корпус, направен с помощта на технология за 3D печат. Hoptroff все още не може да каже със сигурност колко злато ще е необходимо за производството на случая (работата по първия прототип беше завършена, когато изданието влезе в печат), но изчислява, че цената му ще бъде „поне няколко хиляди паунда“. И като се има предвид количеството изследвания, вложени в разработването на продукта (вземете функцията за изчисляване на приливите и отливите с помощта на хармонични константи за 3000 различни пристанища), можем да очакваме крайната му цена на дребно да бъде около £50 000.

Златно тяло на модел №10 при излизане от 3D принтера и в завършен вид

Купувачите автоматично стават членове на изключителен клуб и ще трябва да подпишат писмено обещание да не използват чипа с атомен часовник като оръжие. „Това е едно от условията на нашия договор с доставчика“, обяснява г-н Хоптроф, „тъй като атомният чип първоначално е бил използван в системите за насочване на ракети.“ Не трябва да плащате много за възможността да имате часовник с безупречна точност.

Щастливите собственици на No.10 от Hoptroff ще имат много повече на свое разположение от часовник с висока точност. Моделът функционира и като джобно навигационно устройство, което позволява да се определи географската дължина с точност до една морска миля, дори след много години в морето, с помощта на обикновен секстант. Моделът ще получи два циферблата, но дизайнът на единия от тях все още се пази в тайна. Другият е вихрушка от броячи, показващи до 28 усложнения: от всички възможни хронометрични функции и календарни индикатори до компас, термометър, хигрометър (устройство за измерване на нивата на влажност), барометър, броячи на географска ширина и дължина и прилив/отлив индикатор. И това да не говорим за жизненоважните показатели за състоянието на атомния термостат.

Hoptroff планира да произведе редица нови продукти, включително електронна версия на легендарния усложнен часовник Space Traveler на Джордж Даниелс. В момента се работи върху интегрирането на Bluetooth технология в часовника, за да се съхранява личната информация на потребителя и да се даде възможност за автоматично регулиране на усложнения, като индикатора за фазите на луната.

Когато светлината внезапно изгасне и се включи отново малко по-късно, как да разберете колко часа да настроите часовника? Да, говоря за електронни часовници, които сигурно много от нас имат. Замисляли ли сте се как се регулира времето? В тази статия ще научим всичко за атомния часовник и как той кара целия свят да тиктака.

Атомните часовници показват времето по-добре от всеки друг часовник. Те показват времето по-добре от въртенето на Земята и движението на звездите. Без атомни часовници GPS навигацията би била невъзможна, нямаше да бъде синхронизирана и позициите на планетите не биха били известни с достатъчна точност за космически сонди и превозни средства.

Атомните часовници не са радиоактивни. Те не разчитат на атомно делене. Освен това има пружина, както обикновен часовник. Най-голямата разлика между стандартния часовник и атомния часовник е, че колебанията в атомния часовник възникват в ядрото на атома между електроните, които го заобикалят. Тези колебания едва ли са успоредни на колелото на баланса на часовника с навиване, но и двата вида колебания могат да се използват за проследяване на времето. Честотата на вибрациите в атома се определя от масата на ядрото, гравитацията и електростатичната „пружина“ между положителния заряд на ядрото и облака от електрони около него.

Какви видове атомни часовници познаваме?

Днес има различни видове атомни часовници, но те са изградени на едни и същи принципи. Основната разлика се отнася до елемента и средствата за откриване на промени в енергийните нива. Различните видове атомни часовници включват следното:

• Цезиеви атомни часовници, използващи лъчи от цезиеви атоми. Часовникът разделя цезиевите атоми с различни енергийни нива с помощта на магнитно поле.
• Водороден атомен часовник поддържа водородните атоми на правилното енергийно ниво в контейнер, чиито стени са направени от специален материал, така че атомите да не губят високоенергийното си състояние твърде бързо.
• Рубидиевите атомни часовници, най-простите и компактни от всички, използват стъклена клетка, съдържаща газ рубидий.

Най-точните атомни часовници днес използват цезиев атом и конвенционално магнитно поле с детектори. В допълнение, цезиевите атоми се задържат от лазерните лъчи, което намалява малките промени в честотата, дължащи се на ефекта на Доплер.

Как работят базираните на цезий атомни часовници?

Атомите имат характерна честота на вибрация. Познат пример за честота е оранжевото сияние на натрия в трапезната сол, когато се хвърли в огън. Един атом има много различни честоти, някои в радиообхвата, други във видимия спектър, а други между тях. Цезий-133 най-често се избира за атомни часовници.

За да накарате цезиевите атоми да резонират в атомен часовник, един от преходите или резонансната честота трябва да бъде точно измерен. Това обикновено се прави чрез заключване на кристален осцилатор във основния микровълнов резонанс на цезиевия атом. Този сигнал е в микровълновия диапазон на радиочестотния спектър и има същата честота като директно излъчваните сателитни сигнали. Инженерите знаят как да създадат оборудване за този регион на спектъра, в много детайли.

За да се създаде часовник, цезият първо се нагрява, така че атомите да се изпарят и да преминат през тръба с висок вакуум. Те първо преминават през магнитно поле, което избира атоми с желаното енергийно състояние; след това преминават през интензивно микровълново поле. Честотата на микровълновата енергия скача напред-назад в тесен диапазон от честоти, така че в определен момент достига честота от 9 192 631 770 херца (Hz или цикли в секунда). Обхватът на микровълновия осцилатор вече е близо до тази честота, защото се произвежда от прецизен кристален осцилатор. Когато цезиевият атом получи микровълнова енергия с желаната честота, той променя енергийното си състояние.

В края на тръбата друго магнитно поле разделя атомите, които са променили енергийното си състояние, ако микровълновото поле е с правилната честота. Детекторът в края на тръбата произвежда изходен сигнал, пропорционален на броя цезиеви атоми, които го удрят, и достига пик, когато честотата на микровълните е достатъчно правилна. Този пиков сигнал е необходим за корекция, за да доведе кристалния осцилатор и следователно микровълновото поле до желаната честота. След това тази блокирана честота се разделя на 9 192 631 770, за да се получи познатият един импулс в секунда, от който се нуждае реалният свят.

Кога е изобретен атомният часовник?

През 1945 г. професорът по физика от Колумбийския университет Изидор Раби предложи часовник, който може да бъде направен въз основа на техники, разработени през 30-те години на миналия век. Наричаше се атомно-лъчев магнитен резонанс. До 1949 г. Националното бюро по стандартизация обявява създаването на първия в света атомен часовник, базиран на молекулата на амоняка, чиито вибрации се разчитат, а до 1952 г. създава първия в света атомен часовник, базиран на цезиеви атоми, NBS-1.

През 1955 г. Националната физическа лаборатория в Англия създава първия часовник, използващ цезиев лъч като източник за калибриране. През следващото десетилетие бяха създадени по-модерни часовници. През 1967 г., по време на 13-та Генерална конференция по мерки и теглилки, секундата в SI е определена въз основа на вибрациите в атома на цезия. В световната система за отчитане на времето нямаше по-точна дефиниция от тази. NBS-4, най-стабилният цезиев часовник в света, беше завършен през 1968 г. и беше в употреба до 1990 г.

През 1999 г. NBS, преименуван на NIST, започна да използва часовника NIST-F1, който беше с точност до една секунда от 20 милиона години.

Как се измерва атомното време?

Правилната честота за резонанс на цезиева частица днес се определя от международно споразумение на 9 192 631 770 херца, така че разделянето на изходния сигнал на това число трябва да доведе до 1 Hz или 1 цикъл в секунда.

Точността на измерване на времето е милион пъти по-голяма от тази на астрономическите методи. Днес тя губи една секунда на всеки пет милиарда години.