Πέρυσι, το 2012, συμπληρώθηκαν σαράντα πέντε χρόνια από τότε που η ανθρωπότητα αποφάσισε να χρησιμοποιήσει ατομική χρονομέτρηση για να μετρήσει τον χρόνο όσο το δυνατόν ακριβέστερα. Το 1967, η διεθνής κατηγορία ώρας έπαψε να καθορίζεται από αστρονομικές κλίμακες - αντικαταστάθηκαν από το πρότυπο συχνότητας καισίου. Ήταν αυτός που έλαβε το δημοφιλές πλέον όνομα - ατομικό ρολόι. Ο ακριβής χρόνος που επιτρέπουν να προσδιοριστεί έχει ένα ασήμαντο σφάλμα ενός δευτερολέπτου ανά τρία εκατομμύρια χρόνια, το οποίο τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται ως πρότυπο χρόνου σε οποιαδήποτε γωνιά του κόσμου.
Λίγη ιστορία
Η ίδια η ιδέα της χρήσης ατομικών δονήσεων για εξαιρετικά ακριβή μέτρηση του χρόνου εκφράστηκε για πρώτη φορά το 1879 από τον Βρετανό φυσικό William Thomson. Αυτός ο επιστήμονας πρότεινε τη χρήση υδρογόνου ως εκπομπού ατόμων συντονιστή. Οι πρώτες προσπάθειες να γίνει πράξη η ιδέα έγιναν μόλις στη δεκαετία του '40. εικοστός αιώνας. Το πρώτο ενεργό ατομικό ρολόι στον κόσμο εμφανίστηκε το 1955 στη Μεγάλη Βρετανία. Δημιουργός τους ήταν ο Βρετανός πειραματικός φυσικός Dr. Louis Essen. Αυτά τα ρολόγια λειτουργούσαν με βάση τις δονήσεις των ατόμων καισίου-133 και χάρη σε αυτά, οι επιστήμονες μπόρεσαν τελικά να μετρήσουν τον χρόνο με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από πριν. Η πρώτη συσκευή του Essen επέτρεψε ένα σφάλμα όχι περισσότερο από ένα δευτερόλεπτο για κάθε εκατό χρόνια, αλλά στη συνέχεια αυξήθηκε πολλές φορές και το σφάλμα ανά δευτερόλεπτο μπορεί να συσσωρευτεί μόνο σε 2-3 εκατό εκατομμύρια χρόνια.
Ατομικό ρολόι: αρχή λειτουργίας
Πώς λειτουργεί αυτή η έξυπνη «συσκευή»; Τα ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούν μόρια ή άτομα σε κβαντικό επίπεδο ως γεννήτρια συχνοτήτων συντονισμού. δημιουργεί μια σύνδεση μεταξύ του συστήματος «ατομικού πυρήνα - ηλεκτρονίων» και πολλών διακριτών ενεργειακών επιπέδων. Εάν ένα τέτοιο σύστημα επηρεάζεται με αυστηρά καθορισμένη συχνότητα, τότε θα συμβεί μια μετάβαση αυτού του συστήματος από ένα χαμηλό επίπεδο σε ένα υψηλό επίπεδο. Η αντίστροφη διαδικασία είναι επίσης δυνατή: η μετάβαση ενός ατόμου από ένα υψηλότερο επίπεδο σε ένα χαμηλότερο, που συνοδεύεται από την εκπομπή ενέργειας. Αυτά τα φαινόμενα μπορούν να ελεγχθούν και όλα τα ενεργειακά άλματα μπορούν να καταγραφούν δημιουργώντας κάτι σαν ταλαντευτικό κύκλωμα (ονομάζεται επίσης ατομικός ταλαντωτής). Η συχνότητα συντονισμού του θα αντιστοιχεί στη διαφορά ενέργειας μεταξύ των γειτονικών ατομικών επιπέδων μετάπτωσης, διαιρούμενη με τη σταθερά του Planck.
Ένα τέτοιο ταλαντευόμενο κύκλωμα έχει αναμφισβήτητα πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τους μηχανικούς και αστρονομικούς προκατόχους του. Για έναν τέτοιο ατομικό ταλαντωτή, η συχνότητα συντονισμού των ατόμων οποιασδήποτε ουσίας θα είναι η ίδια, κάτι που δεν μπορεί να ειπωθεί για τα εκκρεμή και τους πιεζοκρυστάλλους. Επιπλέον, τα άτομα δεν αλλάζουν τις ιδιότητές τους με την πάροδο του χρόνου και δεν φθείρονται. Επομένως, τα ατομικά ρολόγια είναι εξαιρετικά ακριβή και πρακτικά αέναα χρονόμετρα.
Ακριβής χρόνος και σύγχρονες τεχνολογίες
Τηλεπικοινωνιακά δίκτυα, δορυφορικές επικοινωνίες, GPS, διακομιστές NTP, ηλεκτρονικές συναλλαγές στο χρηματιστήριο, δημοπρασίες Διαδικτύου, η διαδικασία αγοράς εισιτηρίων μέσω Διαδικτύου - όλα αυτά και πολλά άλλα φαινόμενα έχουν καθιερωθεί από καιρό στη ζωή μας. Αλλά αν η ανθρωπότητα δεν είχε εφεύρει τα ατομικά ρολόγια, όλα αυτά απλά δεν θα είχαν συμβεί. Ο ακριβής χρόνος, ο συγχρονισμός με τον οποίο σας επιτρέπει να ελαχιστοποιήσετε τυχόν σφάλματα, καθυστερήσεις και καθυστερήσεις, επιτρέπει σε ένα άτομο να αξιοποιήσει στο έπακρο αυτόν τον ανεκτίμητο αναντικατάστατο πόρο, από τον οποίο δεν υπάρχει ποτέ πάρα πολύς.
Μια νέα ώθηση στην ανάπτυξη συσκευών για τη μέτρηση του χρόνου δόθηκε από ατομικούς φυσικούς.
Το 1949 κατασκευάστηκε το πρώτο ατομικό ρολόι, όπου η πηγή των ταλαντώσεων δεν ήταν ένα εκκρεμές ή ένας ταλαντωτής χαλαζία, αλλά σήματα που σχετίζονται με την κβαντική μετάβαση ενός ηλεκτρονίου μεταξύ δύο ενεργειακών επιπέδων ενός ατόμου.
Στην πράξη, τέτοια ρολόγια αποδείχθηκαν ότι δεν ήταν πολύ ακριβή, επιπλέον, ήταν ογκώδη και ακριβά και δεν χρησιμοποιήθηκαν ευρέως. Τότε αποφασίστηκε να στραφεί στο χημικό στοιχείο καίσιο. Και το 1955, εμφανίστηκαν τα πρώτα ατομικά ρολόγια βασισμένα σε άτομα καισίου.
Το 1967, αποφασίστηκε η μετάβαση στο πρότυπο ατομικού χρόνου, καθώς η περιστροφή της Γης επιβραδύνεται και το μέγεθος αυτής της επιβράδυνσης δεν είναι σταθερό. Αυτό έκανε πολύ πιο δύσκολο το έργο των αστρονόμων και των χρονομετρητών.
Η Γη αυτή τη στιγμή περιστρέφεται με ρυθμό περίπου 2 χιλιοστά του δευτερολέπτου ανά 100 χρόνια.
Οι διακυμάνσεις στη διάρκεια της ημέρας φτάνουν επίσης τα χιλιοστά του δευτερολέπτου. Επομένως, η ακρίβεια της μέσης ώρας του Γκρίνουιτς (γενικά αποδεκτή ως παγκόσμιο πρότυπο από το 1884) έχει γίνει ανεπαρκής. Το 1967 έγινε η μετάβαση στο πρότυπο ατομικού χρόνου.
Σήμερα, ένα δευτερόλεπτο είναι μια χρονική περίοδος ακριβώς ίση με 9.192.631.770 περιόδους ακτινοβολίας, η οποία αντιστοιχεί στη μετάβαση μεταξύ δύο υπερλεπτών επιπέδων της βασικής κατάστασης του ατόμου καισίου 133.
Επί του παρόντος, η Συντονισμένη Παγκόσμια Ώρα χρησιμοποιείται ως κλίμακα χρόνου. Δημιουργείται από το International Bureau of Weights and Measures συνδυάζοντας δεδομένα από εργαστήρια αποθήκευσης χρόνου διαφόρων χωρών, καθώς και δεδομένα από τη International Earth Rotation Service. Η ακρίβειά του είναι σχεδόν ένα εκατομμύριο φορές υψηλότερη από την αστρονομική ώρα Γκρίνουιτς.
Αναπτύχθηκε μια τεχνολογία που θα μειώσει ριζικά το μέγεθος και το κόστος των εξαιρετικά ακριβών ατομικών ρολογιών, γεγονός που θα καταστήσει δυνατή την ευρεία χρήση τους σε κινητές συσκευές για μια μεγάλη ποικιλία σκοπών. Οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα ατομικό πρότυπο χρόνου εξαιρετικά μικρού μεγέθους. Τέτοια ατομικά ρολόγια καταναλώνουν λιγότερο από 0,075 W και έχουν σφάλμα όχι περισσότερο από ένα δευτερόλεπτο σε 300 χρόνια.
Μια αμερικανική ερευνητική ομάδα πέτυχε να δημιουργήσει ένα εξαιρετικά συμπαγές ατομικό πρότυπο. Έχει καταστεί δυνατή η τροφοδοσία ατομικών ρολογιών από συνηθισμένες μπαταρίες ΑΑ. Εξαιρετικά ακριβή ατομικά ρολόγια, συνήθως τουλάχιστον ενός μέτρου, τοποθετήθηκαν σε όγκο 1,5x1,5x4 mm
Ένα πειραματικό ατομικό ρολόι που βασίζεται σε ένα μόνο ιόν υδραργύρου αναπτύχθηκε στις ΗΠΑ. Είναι πέντε φορές πιο ακριβή από το καίσιο, το οποίο είναι αποδεκτό ως το διεθνές πρότυπο. Τα ρολόγια καισίου είναι τόσο ακριβή που θα χρειαστούν 70 εκατομμύρια χρόνια για να επιτευχθεί απόκλιση ενός δευτερολέπτου, ενώ για τα ρολόγια υδραργύρου αυτή η περίοδος θα είναι 400 εκατομμύρια χρόνια.
Το 1982, ένα νέο αστρονομικό αντικείμενο - ένα πάλσαρ χιλιοστού του δευτερολέπτου - παρενέβη στη διαμάχη μεταξύ του αστρονομικού ορισμού του προτύπου του χρόνου και του ατομικού ρολογιού που το κέρδισε. Αυτά τα σήματα είναι τόσο σταθερά όσο και τα καλύτερα ατομικά ρολόγια
Το ήξερες?
Τα πρώτα ρολόγια στη Ρωσία
Το 1412 στη Μόσχα τοποθετήθηκε ένα ρολόι στην αυλή του Μεγάλου Δούκα πίσω από την εκκλησία του Ευαγγελισμού της Θεοτόκου και το κατασκεύασε ο Λάζαρ, ένας Σέρβος μοναχός που καταγόταν από τη σερβική γη. Δυστυχώς, δεν έχει διατηρηθεί καμία περιγραφή αυτών των πρώτων ρολογιών στη Ρωσία.
________Πώς εμφανίστηκε το ρολόι του κουδουνίσματος στον Πύργο Spasskaya του Κρεμλίνου της Μόσχας;
Τον 17ο αιώνα, ο Άγγλος Christopher Galloway έκανε κουδούνια για τον Πύργο Spasskaya: ο κύκλος της ώρας χωρίστηκε σε 17 τομείς, ο μόνος δείκτης του ρολογιού ήταν ακίνητος, κατευθυνόμενος προς τα κάτω και έδειξε κάποιον αριθμό στον καντράν, αλλά ο ίδιος ο καντράν περιστρεφόταν.
Ακούμε συχνά τη φράση ότι τα ατομικά ρολόγια δείχνουν πάντα την ακριβή ώρα. Αλλά από το όνομά τους είναι δύσκολο να καταλάβουμε γιατί τα ατομικά ρολόγια είναι τα πιο ακριβή ή πώς λειτουργούν.
Ακριβώς επειδή το όνομα περιέχει τη λέξη "ατομική" δεν σημαίνει ότι το ρολόι αποτελεί κίνδυνο για τη ζωή, ακόμα κι αν έρχονται αμέσως στο μυαλό σκέψεις για ατομική βόμβα ή πυρηνικό εργοστάσιο. Σε αυτή την περίπτωση, μιλάμε απλώς για την αρχή λειτουργίας του ρολογιού. Εάν σε ένα συνηθισμένο μηχανικό ρολόι οι ταλαντωτικές κινήσεις εκτελούνται με γρανάζια και μετρώνται οι κινήσεις τους, τότε σε ένα ατομικό ρολόι μετρώνται οι ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα. Για να κατανοήσουμε καλύτερα την αρχή της λειτουργίας, ας θυμηθούμε τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.
Όλες οι ουσίες στον κόσμο μας αποτελούνται από άτομα. Τα άτομα αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια συνδυάζονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν έναν πυρήνα, ο οποίος ονομάζεται επίσης νουκλεόνιο. Τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από τον πυρήνα, ο οποίος μπορεί να είναι σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας. Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι όταν απορροφά ή απελευθερώνει ενέργεια, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να μετακινηθεί από το ενεργειακό του επίπεδο σε υψηλότερο ή χαμηλότερο. Ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να λάβει ενέργεια από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, απορροφώντας ή εκπέμποντας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ορισμένης συχνότητας με κάθε μετάβαση.
Τις περισσότερες φορές υπάρχουν ρολόγια στα οποία χρησιμοποιούνται άτομα του στοιχείου Καισίου -133 για αλλαγή. Αν σε 1 δευτερόλεπτο το εκκρεμές κανονικό ρολόικάνει 1 ταλαντωτική κίνηση και μετά τα ηλεκτρόνια σε ατομικά ρολόγιαμε βάση το καίσιο-133, κατά τη μετάβαση από το ένα επίπεδο ενέργειας στο άλλο, εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με συχνότητα 9192631770 Hz. Αποδεικνύεται ότι ένα δευτερόλεπτο χωρίζεται σε αυτόν ακριβώς τον αριθμό των διαστημάτων εάν υπολογίζεται σε ατομικά ρολόγια. Αυτή η τιμή υιοθετήθηκε επίσημα από τη διεθνή κοινότητα το 1967. Φανταστείτε ένα τεράστιο καντράν με όχι 60, αλλά 9192631770 διαιρέσεις, που αποτελούν μόνο 1 δευτερόλεπτο. Δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι τα ατομικά ρολόγια είναι τόσο ακριβή και έχουν πολλά πλεονεκτήματα: τα άτομα δεν υπόκεινται σε γήρανση, δεν φθείρονται και η συχνότητα ταλάντωσης θα είναι πάντα η ίδια για ένα χημικό στοιχείο, χάρη στο οποίο είναι δυνατό να Συγκρίνετε συγχρονισμένα, για παράδειγμα, τις ενδείξεις των ατομικών ρολογιών μακριά στο διάστημα και στη Γη, χωρίς φόβο για σφάλματα.
Χάρη στα ατομικά ρολόγια, η ανθρωπότητα μπόρεσε να δοκιμάσει στην πράξη την ορθότητα της θεωρίας της σχετικότητας και να βεβαιωθεί ότι είναι καλύτερη από ό,τι στη Γη. Τα ατομικά ρολόγια είναι εγκατεστημένα σε πολλούς δορυφόρους και διαστημόπλοια· χρησιμοποιούνται για τηλεπικοινωνιακές ανάγκες, για κινητές επικοινωνίες και χρησιμοποιούνται για τη σύγκριση της ακριβούς ώρας σε ολόκληρο τον πλανήτη. Χωρίς υπερβολή, χάρη στην εφεύρεση των ατομικών ρολογιών η ανθρωπότητα μπόρεσε να εισέλθει στην εποχή της υψηλής τεχνολογίας.
Πώς λειτουργούν τα ατομικά ρολόγια;
Το καίσιο-133 θερμαίνεται με εξάτμιση ατόμων καισίου, τα οποία διέρχονται από ένα μαγνητικό πεδίο, όπου επιλέγονται άτομα με τις επιθυμητές ενεργειακές καταστάσεις.
Στη συνέχεια, τα επιλεγμένα άτομα διέρχονται από ένα μαγνητικό πεδίο με συχνότητα κοντά στα 9192631770 Hz, το οποίο δημιουργείται από έναν ταλαντωτή χαλαζία. Υπό την επίδραση του πεδίου, τα άτομα καισίου αλλάζουν ξανά ενεργειακές καταστάσεις και πέφτουν σε έναν ανιχνευτή, ο οποίος καταγράφει πότε ο μεγαλύτερος αριθμός εισερχόμενων ατόμων θα έχει τη «σωστή» ενεργειακή κατάσταση. Ο μέγιστος αριθμός ατόμων με αλλαγμένη ενεργειακή κατάσταση υποδεικνύει ότι η συχνότητα του πεδίου μικροκυμάτων έχει επιλεγεί σωστά και στη συνέχεια η τιμή της τροφοδοτείται σε μια ηλεκτρονική συσκευή - έναν διαιρέτη συχνότητας, ο οποίος, μειώνοντας τη συχνότητα κατά ακέραιο αριθμό φορές, λαμβάνει τον αριθμό 1, που είναι το δεύτερο σημείο αναφοράς.
Έτσι, τα άτομα καισίου χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της σωστής συχνότητας του μαγνητικού πεδίου που παράγεται από τον κρυσταλλικό ταλαντωτή, βοηθώντας στη διατήρηση του σε σταθερή τιμή.
Αυτό είναι ενδιαφέρον: Αν και τα σημερινά ατομικά ρολόγια είναι άνευ προηγουμένου ακριβή και μπορούν να λειτουργήσουν για εκατομμύρια χρόνια χωρίς σφάλματα, οι φυσικοί δεν πρόκειται να σταματήσουν εκεί. Χρησιμοποιώντας άτομα διαφόρων χημικών στοιχείων, εργάζονται συνεχώς για να βελτιώσουν την ακρίβεια των ατομικών ρολογιών. Ανάμεσα στις τελευταίες εφευρέσεις είναι το ατομικό ρολόι στρόντιο, που είναι τρεις φορές πιο ακριβείς από το αντίστοιχο καισίου. Για να μείνουν πίσω μόλις ένα δευτερόλεπτο, θα χρειαστούν 15 δισεκατομμύρια χρόνια - χρόνος που υπερβαίνει την ηλικία του Σύμπαντος μας...
Εάν βρείτε κάποιο σφάλμα, επισημάνετε ένα κομμάτι κειμένου και κάντε κλικ Ctrl+Enter.
Ατομικό ρολόι 27 Ιανουαρίου 2016
Η γενέτειρα του πρώτου ρολογιού τσέπης στον κόσμο με ενσωματωμένο ατομικό πρότυπο χρόνου δεν θα είναι η Ελβετία ή καν η Ιαπωνία. Η ιδέα της δημιουργίας τους ξεκίνησε στην καρδιά της Μεγάλης Βρετανίας στο λονδρέζικο brand Hoptroff
Τα ατομικά ρολόγια, ή όπως ονομάζονται επίσης «κβαντικά ρολόγια», είναι μια συσκευή που μετρά το χρόνο χρησιμοποιώντας φυσικούς κραδασμούς που σχετίζονται με διεργασίες που συμβαίνουν σε επίπεδο ατόμων ή μορίων. Ο Richard Hoptroff αποφάσισε ότι ήρθε η ώρα οι σύγχρονοι κύριοι που ενδιαφέρονται για υπερ-τεχνολογικές συσκευές να ανταλλάξουν τα μηχανικά ρολόγια τσέπης τους με κάτι πιο εξωφρενικό και αντισυμβατικό, και επίσης σύμφωνο με τις σύγχρονες αστικές τάσεις.
Έτσι, το κομψό σε εμφάνιση ατομικό ρολόι τσέπης Hoptroff No. επιδείχθηκε στο κοινό. 10, που μπορεί να εκπλήξει τη σύγχρονη γενιά, την εκλεπτυσμένη με την πληθώρα των gadgets, όχι μόνο με το ρετρό στυλ και τη φανταστική του ακρίβεια, αλλά και με τη διάρκεια ζωής του. Σύμφωνα με τους προγραμματιστές, έχοντας μαζί σας αυτό το ρολόι, μπορείτε να παραμείνετε το πιο ακριβές άτομο για τουλάχιστον 5 δισεκατομμύρια χρόνια.
Τι άλλο μπορείτε να μάθετε ενδιαφέρον για αυτά...
Φωτογραφία 2. 
Για όλους όσους δεν ενδιαφέρθηκαν ποτέ για τέτοια ρολόγια, αξίζει να εξηγήσουμε συνοπτικά την αρχή λειτουργίας τους. Δεν υπάρχει τίποτα μέσα στην «ατομική συσκευή» που να μοιάζει με ένα κλασικό μηχανικό ρολόι. Στο Hoptroff αρ. 10 δεν υπάρχουν μηχανικά μέρη καθαυτά. Αντίθετα, τα ατομικά ρολόγια τσέπης είναι εξοπλισμένα με έναν σφραγισμένο θάλαμο γεμάτο με ραδιενεργό αέριο, η θερμοκρασία του οποίου ελέγχεται από έναν ειδικό κλίβανο. Η ακριβής χρονομέτρηση γίνεται ως εξής: τα λέιζερ διεγείρουν τα άτομα ενός χημικού στοιχείου, το οποίο είναι ένα είδος «πληρωτικού» του ρολογιού, και ο συντονιστής καταγράφει και μετρά κάθε ατομική μετάβαση. Σήμερα, το βασικό στοιχείο τέτοιων συσκευών είναι το καίσιο. Αν θυμηθούμε το σύστημα μονάδων SI, τότε σε αυτό η τιμή ενός δευτερολέπτου σχετίζεται με τον αριθμό των περιόδων ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας κατά τη μετάβαση των ατόμων καισίου-133 από το ένα ενεργειακό επίπεδο στο άλλο.
Φωτογραφία 3. 
Εάν στα smartphone η καρδιά της συσκευής θεωρείται τσιπ επεξεργαστή, τότε στο Hoptroff No. 10 αυτός ο ρόλος αναλαμβάνεται από τη μονάδα παραγωγής χρόνου αναφοράς. Προμηθεύεται από τη Symmetricom και το ίδιο το τσιπ αρχικά είχε ως στόχο τη χρήση στη στρατιωτική βιομηχανία - σε μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα.
Το ατομικό ρολόι CSAC είναι εξοπλισμένο με θερμοστάτη ελεγχόμενης θερμοκρασίας, ο οποίος περιέχει έναν θάλαμο που περιέχει ατμό καισίου. Υπό την επίδραση ενός λέιζερ στα άτομα καισίου-133, αρχίζει η μετάβασή τους από τη μια ενεργειακή κατάσταση στην άλλη, η οποία μετράται με τη χρήση συντονιστή μικροκυμάτων. Από το 1967, το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) έχει ορίσει το ένα δευτερόλεπτο ως 9.192.631.770 περιόδους ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που παράγεται κατά τη μετάβαση μεταξύ δύο υπερλεπτών επιπέδων της θεμελιώδους κατάστασης ενός ατόμου καισίου-133. Με βάση αυτό, είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ένα πιο ακριβές τεχνικά ρολόι με βάση το καίσιο. Με την πάροδο του χρόνου, δεδομένων των τελευταίων προόδων στον τομέα της μέτρησης του χρόνου, η ακρίβεια των νέων οπτικών ρολογιών που βασίζονται σε ένα ιόν αλουμινίου που πάλλεται στη συχνότητα της υπεριώδους ακτινοβολίας (100.000 φορές υψηλότερη από τις συχνότητες μικροκυμάτων των ρολογιών καισίου) θα είναι εκατοντάδες φορές υψηλότερη από την ακρίβεια των ατομικών χρονομέτρων. Για να το θέσω απλά, το νέο μοντέλο τσέπης No.10 της Hoptroff έχει σφάλμα λειτουργίας 0,0015 δευτερόλεπτα ετησίως, το οποίο είναι 2,4 εκατομμύρια φορές καλύτερο από τα πρότυπα COSC.
Φωτογραφία 4. 
Η λειτουργική πλευρά της συσκευής είναι επίσης στα όρια της φαντασίας. Με τη βοήθειά του μπορείτε να μάθετε: ώρα, ημερομηνία, ημέρα της εβδομάδας, έτος, γεωγραφικό πλάτος και μήκος σε διαφορετικές ποσότητες, πίεση, υγρασία, αστρικές ώρες και λεπτά, πρόβλεψη παλίρροιας και πολλούς άλλους δείκτες. Το ρολόι διατίθεται σε χρυσό και σχεδιάζεται να χρησιμοποιηθεί τρισδιάστατη εκτύπωση για τη δημιουργία της θήκης του από το πολύτιμο μέταλλο.
Ο Richard Hoptrof πιστεύει ειλικρινά ότι αυτή η συγκεκριμένη επιλογή για την παραγωγή του πνευματικού τέκνου του είναι η πιο προτιμότερη. Για να αλλάξετε ελαφρώς το στοιχείο σχεδιασμού της δομής, δεν θα χρειαστεί καθόλου να ξαναχτίσετε τη γραμμή παραγωγής, αλλά να χρησιμοποιήσετε τη λειτουργική ευελιξία της συσκευής τρισδιάστατης εκτύπωσης για αυτό. Ωστόσο, αξίζει να σημειωθεί ότι το πρωτότυπο του ρολογιού που εμφανίζεται κατασκευάστηκε με τον κλασικό τρόπο.
Φωτογραφία 5. 
Ο χρόνος είναι πολύ ακριβός αυτές τις μέρες και το Hoptroff No. Το 10 είναι μια άμεση επιβεβαίωση αυτού. Σύμφωνα με τις πρώτες πληροφορίες, η πρώτη παρτίδα ατομικών συσκευών θα είναι 12 μονάδων, και όσον αφορά το κόστος, η τιμή για 1 αντίγραφο θα είναι 78.000 δολάρια.
Φωτογραφία 6. 
Σύμφωνα με τον Richard Hoptroff, διευθύνοντα σύμβουλο της μάρκας, η τοποθεσία του Hoptroff στο Λονδίνο έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην εμφάνιση αυτής της ιδέας. «Στις κινήσεις μας με χαλαζία χρησιμοποιούμε ένα σύστημα ταλάντωσης υψηλής ακρίβειας με σήμα GPS. Αλλά στο κέντρο του Λονδίνου δεν είναι τόσο εύκολο να πιάσεις αυτό ακριβώς το σήμα. Μια μέρα, κατά τη διάρκεια ενός ταξιδιού στο Αστεροσκοπείο του Γκρίνουιτς, είδα εκεί ένα ατομικό ρολόι της Hewlett Packard και αποφάσισα να αγοράσω κάτι παρόμοιο για μένα μέσω Διαδικτύου. Και δεν μπορούσα. Αντίθετα, βρήκα πληροφορίες για ένα τσιπ από τη Symmetricon και μετά από τρεις μέρες σκέψης, συνειδητοποίησα ότι θα ήταν τέλειο για ένα ρολόι τσέπης».
Το εν λόγω τσιπ είναι το ατομικό ρολόι καισίου SA.45s (CSAC), ένα από τα πρώτης γενιάς μικροσκοπικά ατομικά ρολόγια για δέκτες GPS, ραδιόφωνα σακιδίων και μη επανδρωμένα οχήματα. Παρά τις μέτριες διαστάσεις του (40 mm x 34,75 mm), εξακολουθεί να είναι απίθανο να χωρέσει σε ρολόι χειρός. Ως εκ τούτου, ο Hoptroff αποφάσισε να τα εξοπλίσει με ένα μοντέλο τσέπης μάλλον αξιοσέβαστων διαστάσεων (82 mm σε διάμετρο).
Εκτός από το πιο ακριβές ρολόι στον κόσμο, το Hoptroff No 10 (το δέκατο κίνημα της μάρκας) ισχυρίζεται επίσης ότι είναι η πρώτη χρυσή θήκη που κατασκευάζεται με τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης. Ο Hoptroff δεν μπορεί ακόμη να πει με βεβαιότητα πόσος χρυσός θα χρειαστεί για να κατασκευαστεί η υπόθεση (οι εργασίες για το πρώτο πρωτότυπο ολοκληρώθηκαν όταν το τεύχος κυκλοφόρησε), αλλά εκτιμά ότι το κόστος του θα είναι «τουλάχιστον αρκετές χιλιάδες λίρες». Και δεδομένου του όγκου της έρευνας που διεξήχθη για την ανάπτυξη του προϊόντος (πάρτε τη λειτουργία του υπολογισμού της άμπωτης και της ροής της παλίρροιας χρησιμοποιώντας αρμονικές σταθερές για 3.000 διαφορετικές θύρες), μπορούμε να αναμένουμε την τελική λιανική τιμή του να είναι περίπου 50.000 £.
Χρυσό σώμα μοντέλου Νο 10 όπως βγαίνει από τον 3D εκτυπωτή και σε τελική μορφή
Οι αγοραστές γίνονται αυτόματα μέλη μιας αποκλειστικής λέσχης και θα πρέπει να υπογράψουν γραπτή δέσμευση να μην χρησιμοποιούν το τσιπ ατομικού ρολογιού ως όπλο. «Αυτός είναι ένας από τους όρους της σύμβασής μας με τον προμηθευτή», εξηγεί ο κ. Hoptroff, «καθώς το ατομικό τσιπ χρησιμοποιήθηκε αρχικά σε συστήματα καθοδήγησης πυραύλων». Δεν πρέπει να πληρώσετε πολλά για την ευκαιρία να έχετε ένα ρολόι με άψογη ακρίβεια.
Οι τυχεροί κάτοχοι του Νο.10 από το Hoptroff θα έχουν στη διάθεσή τους πολλά περισσότερα από ένα απλό ρολόι υψηλής ακρίβειας. Το μοντέλο λειτουργεί επίσης ως συσκευή πλοήγησης τσέπης, επιτρέποντας σε κάποιον να προσδιορίζει το γεωγραφικό μήκος με ακρίβεια ενός ναυτικού μιλίου, ακόμη και μετά από πολλά χρόνια στη θάλασσα, χρησιμοποιώντας μια απλή εξάντα. Το μοντέλο θα λάβει δύο καντράν, αλλά ο σχεδιασμός ενός από αυτούς παραμένει μυστικός. Ο άλλος είναι ένας ανεμοστρόβιλος μετρητών που εμφανίζει έως και 28 επιπλοκές: από όλες τις πιθανές χρονομετρικές λειτουργίες και ημερολογιακούς δείκτες έως πυξίδα, θερμόμετρο, υγρόμετρο (μια συσκευή μέτρησης των επιπέδων υγρασίας), μετρητές βαρόμετρου, γεωγραφικού πλάτους και μήκους και μια υψηλή/χαμηλή παλίρροια δείκτης. Και αυτό για να μην αναφέρουμε τους ζωτικούς δείκτες της κατάστασης του ατομικού θερμοστάτη.
Η Hoptroff έχει σχέδια να παράγει μια σειρά από νέα προϊόντα, συμπεριλαμβανομένης μιας ηλεκτρονικής έκδοσης του θρυλικού ρολογιού του George Daniels Space Traveler. Επί του παρόντος εργάζονται για την ενσωμάτωση της τεχνολογίας Bluetooth στο ρολόι για την αποθήκευση των προσωπικών πληροφοριών του χρήστη και την αυτόματη προσαρμογή των επιπλοκών, όπως η ένδειξη φάσης της σελήνης.
Όταν το φως σβήσει ξαφνικά και επανέρχεται λίγο αργότερα, πώς ξέρετε τι ώρα να ρυθμίσετε το ρολόι; Ναι, μιλάω για ηλεκτρονικά ρολόγια, που πιθανότατα έχουμε πολλοί από εμάς. Έχετε σκεφτεί ποτέ πώς ρυθμίζεται ο χρόνος; Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε τα πάντα για το ατομικό ρολόι και πώς κάνει όλο τον κόσμο να χτυπά.
Τα ατομικά ρολόγια δείχνουν την ώρα καλύτερα από οποιοδήποτε άλλο ρολόι. Δείχνουν τον χρόνο καλύτερα από την περιστροφή της Γης και την κίνηση των άστρων. Χωρίς ατομικά ρολόγια, η πλοήγηση με GPS θα ήταν αδύνατη, δεν θα συγχρονιζόταν και οι θέσεις των πλανητών δεν θα ήταν γνωστές με επαρκή ακρίβεια για διαστημικούς ανιχνευτές και οχήματα.
Τα ατομικά ρολόγια δεν είναι ραδιενεργά. Δεν βασίζονται στην ατομική σχάση. Επιπλέον, έχει ελατήριο, όπως ένα κανονικό ρολόι. Η μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ ενός τυπικού ρολογιού και ενός ατομικού ρολογιού είναι ότι οι ταλαντώσεις σε ένα ατομικό ρολόι συμβαίνουν στον πυρήνα ενός ατόμου μεταξύ των ηλεκτρονίων που το περιβάλλουν. Αυτές οι ταλαντώσεις δεν είναι σχεδόν παράλληλες με τον τροχό ισορροπίας σε ένα ρολόι με περιέλιξη, αλλά και οι δύο τύποι ταλαντώσεων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση του χρόνου. Η συχνότητα των δονήσεων μέσα σε ένα άτομο καθορίζεται από τη μάζα του πυρήνα, τη βαρύτητα και το ηλεκτροστατικό «ελατήριο» μεταξύ του θετικού φορτίου του πυρήνα και του νέφους ηλεκτρονίων γύρω του.
Τι τύπους ατομικών ρολογιών γνωρίζουμε;
Σήμερα υπάρχουν διαφορετικοί τύποι ατομικών ρολογιών, αλλά είναι χτισμένοι στις ίδιες αρχές. Η κύρια διαφορά σχετίζεται με το στοιχείο και τα μέσα ανίχνευσης αλλαγών στα επίπεδα ενέργειας. Οι διαφορετικοί τύποι ατομικών ρολογιών περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:
- Ατομικά ρολόγια καισίου χρησιμοποιώντας δέσμες ατόμων καισίου. Το ρολόι διαχωρίζει τα άτομα καισίου με διαφορετικά επίπεδα ενέργειας χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο.
- Ένα ατομικό ρολόι υδρογόνου διατηρεί τα άτομα υδρογόνου στο σωστό επίπεδο ενέργειας σε ένα δοχείο του οποίου τα τοιχώματα είναι κατασκευασμένα από ειδικό υλικό, ώστε τα άτομα να μην χάνουν την κατάσταση υψηλής ενέργειας τους πολύ γρήγορα.
- Τα ατομικά ρολόγια ρουβιδίου, τα πιο απλά και συμπαγή από όλα, χρησιμοποιούν γυάλινη κυψέλη που περιέχει αέριο ρουβίδιο.
Τα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια σήμερα χρησιμοποιούν ένα άτομο καισίου και ένα συμβατικό μαγνητικό πεδίο με ανιχνευτές. Επιπλέον, τα άτομα καισίου περιέχονται από τις ακτίνες λέιζερ, γεγονός που μειώνει τις μικρές αλλαγές στη συχνότητα λόγω του φαινομένου Doppler.
Πώς λειτουργούν τα ατομικά ρολόγια με βάση το καίσιο;
Τα άτομα έχουν χαρακτηριστική συχνότητα δόνησης. Ένα γνωστό παράδειγμα συχνότητας είναι η πορτοκαλί λάμψη του νατρίου στο επιτραπέζιο αλάτι όταν ρίχνεται στη φωτιά. Ένα άτομο έχει πολλές διαφορετικές συχνότητες, άλλες στο εύρος του ραδιοφώνου, άλλες στο ορατό φάσμα και άλλες στο ενδιάμεσο. Το καίσιο-133 επιλέγεται συχνότερα για ατομικά ρολόγια.
Για να προκαλέσετε τον συντονισμό των ατόμων καισίου σε ένα ατομικό ρολόι, πρέπει να μετρηθεί με ακρίβεια μία από τις μεταβάσεις ή η συχνότητα συντονισμού. Αυτό συνήθως γίνεται με το κλείδωμα ενός κρυσταλλικού ταλαντωτή στον θεμελιώδη συντονισμό μικροκυμάτων του ατόμου καισίου. Αυτό το σήμα βρίσκεται στην περιοχή μικροκυμάτων του φάσματος ραδιοσυχνοτήτων και έχει την ίδια συχνότητα με τα δορυφορικά σήματα απευθείας εκπομπής. Οι μηχανικοί γνωρίζουν πώς να δημιουργούν εξοπλισμό για αυτήν την περιοχή φάσματος, με μεγάλη λεπτομέρεια.
Για να δημιουργηθεί ένα ρολόι, το καίσιο θερμαίνεται πρώτα έτσι ώστε τα άτομα να εξατμιστούν και να περάσουν μέσα από ένα σωλήνα υψηλού κενού. Πρώτα διέρχονται από ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο επιλέγει άτομα με την επιθυμητή ενεργειακή κατάσταση. στη συνέχεια περνούν μέσα από ένα έντονο πεδίο μικροκυμάτων. Η συχνότητα της ενέργειας μικροκυμάτων πηδά μπρος-πίσω σε ένα στενό εύρος συχνοτήτων, έτσι ώστε σε ένα ορισμένο σημείο να φτάνει σε μια συχνότητα 9.192.631.770 hertz (Hz, ή κύκλοι ανά δευτερόλεπτο). Το εύρος του ταλαντωτή μικροκυμάτων είναι ήδη κοντά σε αυτή τη συχνότητα επειδή παράγεται από έναν ακριβή κρυσταλλικό ταλαντωτή. Όταν ένα άτομο καισίου λαμβάνει ενέργεια μικροκυμάτων της επιθυμητής συχνότητας, αλλάζει την ενεργειακή του κατάσταση.
Στο τέλος του σωλήνα, ένα άλλο μαγνητικό πεδίο διαχωρίζει τα άτομα που έχουν αλλάξει την ενεργειακή τους κατάσταση εάν το πεδίο μικροκυμάτων ήταν της σωστής συχνότητας. Ο ανιχνευτής στο άκρο του σωλήνα παράγει ένα σήμα εξόδου ανάλογο με τον αριθμό των ατόμων καισίου που τον χτυπούν και κορυφώνεται όταν η συχνότητα μικροκυμάτων είναι επαρκώς σωστή. Αυτό το σήμα κορυφής χρειάζεται για διόρθωση ώστε να φέρει τον κρυσταλλικό ταλαντωτή, και επομένως το πεδίο μικροκυμάτων, στην επιθυμητή συχνότητα. Αυτή η μπλοκαρισμένη συχνότητα διαιρείται στη συνέχεια με 9.192.631.770 για να δώσει τον γνωστό έναν παλμό ανά δευτερόλεπτο που χρειάζεται ο πραγματικός κόσμος.
Πότε εφευρέθηκε το ατομικό ρολόι;
Το 1945, ο καθηγητής φυσικής του Πανεπιστημίου Κολούμπια, Isidor Rabi, πρότεινε ένα ρολόι που θα μπορούσε να κατασκευαστεί με βάση τις τεχνικές που αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 1930. Ονομάστηκε μαγνητικός συντονισμός ατομικής δέσμης. Μέχρι το 1949, το Εθνικό Γραφείο Προτύπων ανακοίνωσε τη δημιουργία του πρώτου ατομικού ρολογιού στον κόσμο με βάση το μόριο αμμωνίας, οι δονήσεις του οποίου διαβάζονταν και μέχρι το 1952 δημιούργησε το πρώτο ατομικό ρολόι στον κόσμο με βάση τα άτομα καισίου, το NBS-1.
Το 1955, το Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής στην Αγγλία κατασκεύασε το πρώτο ρολόι χρησιμοποιώντας μια δέσμη καισίου ως πηγή βαθμονόμησης. Την επόμενη δεκαετία, δημιουργήθηκαν πιο προηγμένα ρολόγια. Το 1967, κατά τη διάρκεια της 13ης Γενικής Διάσκεψης για τα Βάρη και τα Μέτρα, το SI δεύτερο προσδιορίστηκε με βάση τους κραδασμούς στο άτομο καισίου. Στο παγκόσμιο σύστημα χρονομέτρησης δεν υπήρχε πιο ακριβής ορισμός από αυτόν. Το NBS-4, το πιο σταθερό ρολόι καισίου στον κόσμο, ολοκληρώθηκε το 1968 και χρησιμοποιήθηκε μέχρι το 1990.
Το 1999, η NBS, που μετονομάστηκε σε NIST, άρχισε να λειτουργεί το ρολόι NIST-F1, το οποίο ήταν ακριβές σε ένα δευτερόλεπτο από 20 εκατομμύρια χρόνια. 
Πώς μετριέται ο ατομικός χρόνος;
Η σωστή συχνότητα συντονισμού ενός σωματιδίου καισίου σήμερα καθορίζεται από διεθνή συμφωνία ότι είναι 9.192.631.770 hertz, επομένως η διαίρεση του σήματος εξόδου με αυτόν τον αριθμό θα πρέπει να έχει ως αποτέλεσμα 1 Hz ή 1 κύκλο ανά δευτερόλεπτο.
Η ακρίβεια της μέτρησης του χρόνου είναι ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από αυτή των αστρονομικών μεθόδων. Σήμερα χάνει ένα δευτερόλεπτο κάθε πέντε δισεκατομμύρια χρόνια.
