ساعت های اتمی: زمان دقیق کلید پیشرفت است. ساعت اتمی زمان بررسی ساعت اتمی

سال گذشته، 2012، چهل و پنج سال از زمانی که بشر تصمیم گرفت از زمان‌سنجی اتمی برای اندازه‌گیری زمان تا حد امکان دقیق استفاده کند، گذشت. در سال 1967، تعیین رده زمانی بین‌المللی توسط مقیاس‌های نجومی متوقف شد - آنها با استاندارد فرکانس سزیم جایگزین شدند. این او بود که نام محبوب اکنون - ساعت اتمی را دریافت کرد. زمان دقیقی که آنها اجازه می دهند تعیین کنند دارای خطای ناچیز یک ثانیه در هر سه میلیون سال است که به آنها اجازه می دهد به عنوان یک استاندارد زمانی در هر گوشه ای از جهان استفاده شوند.

کمی تاریخچه

ایده استفاده از ارتعاشات اتمی برای اندازه گیری بسیار دقیق زمان برای اولین بار در سال 1879 توسط فیزیکدان بریتانیایی ویلیام تامسون بیان شد. این دانشمند پیشنهاد استفاده از هیدروژن به عنوان تابش دهنده اتم های تشدید کننده را مطرح کرد. اولین تلاش ها برای عملی کردن این ایده تنها در دهه 40 انجام شد. قرن بیستم. اولین ساعت کار اتمی جهان در سال 1955 در بریتانیای کبیر ظاهر شد. خالق آنها فیزیکدان تجربی بریتانیایی دکتر لوئیس اسن بود. این ساعت ها بر اساس ارتعاشات اتم های سزیم-133 کار می کردند و به لطف آنها، دانشمندان سرانجام توانستند زمان را با دقت بسیار بیشتری نسبت به قبل اندازه گیری کنند. اولین دستگاه اسن اجازه خطای بیش از یک ثانیه را برای هر صد سال نمی داد، اما متعاقباً چندین برابر افزایش یافت و خطا در هر ثانیه فقط در 2-3 صد میلیون سال می تواند جمع شود.

ساعت اتمی: اصل کار

این "دستگاه" هوشمند چگونه کار می کند؟ ساعت های اتمی از مولکول ها یا اتم ها در سطح کوانتومی به عنوان مولد فرکانس تشدید استفاده می کنند. بین سیستم "هسته اتمی - الکترون" و چندین سطح انرژی گسسته ارتباط برقرار می کند. اگر چنین سیستمی با یک فرکانس کاملاً مشخص تحت تأثیر قرار گیرد، انتقال این سیستم از سطح پایین به سطح بالا رخ خواهد داد. فرآیند معکوس نیز ممکن است: انتقال یک اتم از سطح بالاتر به سطح پایین تر، همراه با انتشار انرژی. این پدیده ها را می توان با ایجاد چیزی شبیه مدار نوسانی (که به آن نوسانگر اتمی نیز می گویند) کنترل کرد و تمام پرش های انرژی را ثبت کرد. فرکانس تشدید آن با اختلاف انرژی بین سطوح انتقال اتمی همسایه، تقسیم بر ثابت پلانک مطابقت دارد.

چنین مدار نوسانی در مقایسه با پیشینیان مکانیکی و نجومی خود دارای مزایای غیرقابل انکاری است. برای یکی از این نوسان سازهای اتمی، فرکانس تشدید اتم های هر ماده یکسان خواهد بود، که نمی توان در مورد آونگ ها و پیزوکریستال ها گفت. علاوه بر این، اتم ها با گذشت زمان خواص خود را تغییر نمی دهند و فرسوده نمی شوند. بنابراین، ساعت‌های اتمی زمان‌سنج‌های بسیار دقیق و عملاً دائمی هستند.

زمان دقیق و فن آوری های مدرن

شبکه های مخابراتی، ارتباطات ماهواره ای، GPS، سرورهای NTP، تراکنش های الکترونیکی در بورس اوراق بهادار، حراج های اینترنتی، روش خرید بلیط از طریق اینترنت - همه اینها و بسیاری از پدیده های دیگر مدت هاست که در زندگی ما ثابت شده است. اما اگر بشریت ساعت های اتمی را اختراع نمی کرد، همه اینها به سادگی اتفاق نمی افتاد. زمان دقیق، هماهنگ سازی با آن به شما امکان می دهد هر گونه خطا، تأخیر و تأخیر را به حداقل برسانید، به فرد این امکان را می دهد تا از این منبع ارزشمند غیر قابل جایگزینی، که هرگز زیاد نیست، بهترین استفاده را ببرد.

انگیزه جدیدی در توسعه دستگاه های اندازه گیری زمان توسط فیزیکدانان اتمی داده شد.

در سال 1949، اولین ساعت اتمی ساخته شد، جایی که منبع نوسانات، آونگ یا نوسانگر کوارتز نبود، بلکه سیگنال‌های مرتبط با انتقال کوانتومی یک الکترون بین دو سطح انرژی یک اتم بود.

در عمل معلوم شد که چنین ساعت هایی بسیار دقیق نیستند، علاوه بر این، آنها حجیم و گران بودند و به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گرفتند. سپس تصمیم گرفته شد به عنصر شیمیایی سزیم روی بیاوریم. و در سال 1955، اولین ساعت های اتمی مبتنی بر اتم های سزیم ظاهر شد.

در سال 1967 تصمیم گرفته شد که به استاندارد زمان اتمی تبدیل شود، زیرا چرخش زمین در حال کاهش است و اندازه این کندی ثابت نیست. این کار اخترشناسان و نگهبانان زمان را بسیار دشوارتر کرد.

زمین در حال حاضر با سرعتی در حدود 2 میلی ثانیه در هر 100 سال می چرخد.

نوسانات طول روز نیز به هزارم ثانیه می رسد. بنابراین، دقت زمان گرینویچ (به طور کلی به عنوان یک استاندارد جهانی از سال 1884 پذیرفته شده است) ناکافی شده است. در سال 1967، انتقال به استاندارد زمان اتمی انجام شد.

امروزه، یک ثانیه یک دوره زمانی است که دقیقاً برابر با 9،192،631،770 دوره تابش است، که مربوط به انتقال بین دو سطح فوق ریز از حالت پایه اتم سزیم 133 است.

در حال حاضر، زمان جهانی هماهنگ به عنوان مقیاس زمانی استفاده می شود. این توسط دفتر بین‌المللی وزن و اندازه‌گیری با ترکیب داده‌های آزمایشگاه‌های ذخیره‌سازی زمان کشورهای مختلف و همچنین داده‌های سرویس بین‌المللی چرخش زمین تشکیل شده است. دقت آن تقریبا یک میلیون برابر بیشتر از زمان نجومی گرینویچ است.

فناوری توسعه یافته است که اندازه و هزینه ساعت های اتمی فوق دقیق را به شدت کاهش می دهد و استفاده گسترده از آنها را در دستگاه های تلفن همراه برای اهداف مختلف ممکن می سازد. دانشمندان توانستند یک استاندارد زمان اتمی با اندازه بسیار کوچک ایجاد کنند. چنین ساعت های اتمی کمتر از 0.075 وات مصرف می کنند و خطای آنها بیش از یک ثانیه در 300 سال نیست.

یک گروه تحقیقاتی آمریکایی موفق به ایجاد یک استاندارد اتمی فوق فشرده شده است. تامین انرژی ساعت های اتمی از باتری های AA معمولی ممکن شده است. ساعت های اتمی بسیار دقیق، معمولاً حداقل یک متر ارتفاع، در حجم 1.5x1.5x4 میلی متر قرار می گرفتند.

یک ساعت اتمی آزمایشی مبتنی بر یک یون جیوه در ایالات متحده آمریکا ساخته شده است. دقت آنها پنج برابر بیشتر از سزیم است که به عنوان استاندارد بین المللی پذیرفته شده است. ساعت های سزیمی به قدری دقیق هستند که 70 میلیون سال طول می کشد تا اختلاف یک ثانیه به دست آید، در حالی که برای ساعت های جیوه ای این بازه زمانی 400 میلیون سال خواهد بود.

در سال 1982، یک شی نجومی جدید - یک تپ اختر میلی ثانیه ای - در مناقشه بین تعریف نجومی استاندارد زمان و ساعت اتمی که برنده آن شد، دخالت کرد. این سیگنال ها به اندازه بهترین ساعت های اتمی پایدار هستند

آیا می دانستید؟

اولین ساعت در روسیه

در سال 1412 در مسکو، ساعتی در حیاط دوک بزرگ در پشت کلیسای بشارت قرار داده شد و توسط لازار، راهب صرب که از سرزمین صربستان آمده بود، ساخته شد. متأسفانه هیچ توصیفی از این اولین ساعت ها در روسیه حفظ نشده است.

________

چگونه ساعت زنگ در برج اسپاسکایا کرملین مسکو ظاهر شد؟

در قرن هفدهم، کریستوفر گالووی انگلیسی زنگ‌هایی را برای برج اسپاسکایا ساخت: دایره ساعت به 17 بخش تقسیم می‌شد، تنها عقربه ساعت ثابت بود، به سمت پایین هدایت می‌شد و به عددی روی صفحه اشاره می‌کرد، اما خود صفحه می‌چرخید.

اغلب این جمله را می شنویم که ساعت های اتمی همیشه زمان دقیق را نشان می دهند. اما از نام آنها به سختی می توان فهمید که چرا ساعت های اتمی دقیق ترین هستند یا چگونه کار می کنند.

فقط به این دلیل که نام حاوی کلمه "اتمی" است به این معنی نیست که ساعت مچی خطری برای زندگی است، حتی اگر بلافاصله افکار مربوط به بمب اتمی یا نیروگاه هسته ای به ذهنتان خطور کند. در این مورد، ما فقط در مورد اصل عملکرد ساعت صحبت می کنیم. اگر در یک ساعت مکانیکی معمولی حرکات نوسانی توسط چرخ دنده ها انجام شود و حرکات آنها شمارش شود، در یک ساعت اتمی نوسانات الکترون های داخل اتم ها شمارش می شود. برای درک بهتر اصل عملکرد، بیایید فیزیک ذرات بنیادی را به یاد بیاوریم.

همه مواد در جهان ما از اتم ساخته شده اند. اتم ها از پروتون، نوترون و الکترون تشکیل شده اند. پروتون ها و نوترون ها با یکدیگر ترکیب می شوند و هسته ای را تشکیل می دهند که به آن نوکلئون نیز می گویند. الکترون ها در اطراف هسته حرکت می کنند که می تواند در سطوح انرژی مختلف باشد. جالب ترین چیز این است که هنگام جذب یا آزاد کردن انرژی، یک الکترون می تواند از سطح انرژی خود به سطح انرژی بالاتر یا پایین تر حرکت کند. یک الکترون می تواند انرژی را از تابش الکترومغناطیسی به دست آورد، تابش الکترومغناطیسی را با فرکانس مشخصی با هر انتقال جذب یا ساطع کند.

اغلب اوقات ساعت هایی وجود دارد که در آنها از اتم های عنصر سزیم -133 برای تغییر استفاده می شود. اگر در 1 ثانیه آونگ ساعت معمولی 1 حرکت نوسانی و سپس الکترون ها انجام می دهد در ساعت های اتمیبر اساس سزیم-133، هنگام انتقال از یک سطح انرژی به سطح دیگر، تابش الکترومغناطیسی با فرکانس 9192631770 هرتز ساطع می کنند. معلوم می شود که اگر در ساعت های اتمی محاسبه شود، یک ثانیه دقیقاً به این تعداد فواصل تقسیم می شود. این ارزش به طور رسمی توسط جامعه بین المللی در سال 1967 پذیرفته شد. یک صفحه بزرگ را تصور کنید که دارای تقسیمات نه 60، بلکه 9192631770 است که فقط 1 ثانیه را تشکیل می دهد. تعجب آور نیست که ساعت های اتمی بسیار دقیق هستند و چندین مزیت دارند: اتم ها در معرض پیری نیستند، فرسوده نمی شوند و فرکانس نوسان همیشه برای یک عنصر شیمیایی یکسان خواهد بود، به لطف آن می توان برای مثال، قرائت ساعت‌های اتمی در دوردست‌ها و روی زمین را بدون ترس از خطا به طور همزمان مقایسه کنید.

به لطف ساعت های اتمی، بشریت توانست صحت نظریه نسبیت را در عمل آزمایش کند و مطمئن شود که بهتر از روی زمین است. ساعت‌های اتمی روی بسیاری از ماهواره‌ها و فضاپیماها نصب می‌شوند؛ از آنها برای نیازهای مخابراتی، برای ارتباطات سیار و برای مقایسه زمان دقیق در کل سیاره استفاده می‌شود. بدون اغراق، به لطف اختراع ساعت های اتمی بود که بشریت توانست وارد عصر فناوری پیشرفته شود.

ساعت های اتمی چگونه کار می کنند؟

سزیم-133 با تبخیر اتم‌های سزیم گرم می‌شود که از طریق میدان مغناطیسی عبور داده می‌شود و اتم‌هایی با حالت‌های انرژی مورد نظر انتخاب می‌شوند.

سپس اتم های انتخاب شده از میدان مغناطیسی با فرکانس نزدیک به 9192631770 هرتز عبور می کنند که توسط یک نوسانگر کوارتز ایجاد می شود. تحت تأثیر میدان، اتم‌های سزیم دوباره حالت‌های انرژی را تغییر می‌دهند و روی یک آشکارساز می‌افتند، که ثبت می‌کند چه زمانی بیشترین تعداد اتم‌های ورودی حالت انرژی «درست» را داشته باشند. حداکثر تعداد اتم ها با حالت انرژی تغییر یافته نشان می دهد که فرکانس میدان مایکروویو به درستی انتخاب شده است و سپس مقدار آن به یک دستگاه الکترونیکی - یک تقسیم کننده فرکانس وارد می شود که با کاهش فرکانس به تعداد صحیح بارها، دریافت می کند. عدد 1 که مرجع دوم است.

بنابراین، اتم های سزیم برای بررسی فرکانس صحیح میدان مغناطیسی تولید شده توسط نوسانگر کریستالی استفاده می شود و به حفظ آن در یک مقدار ثابت کمک می کند.

جالب است: اگرچه ساعت‌های اتمی کنونی به‌طور بی‌سابقه‌ای دقیق هستند و می‌توانند میلیون‌ها سال بدون خطا کار کنند، فیزیکدانان در اینجا متوقف نمی‌شوند. آنها با استفاده از اتم های عناصر شیمیایی مختلف، دائماً در تلاش برای بهبود دقت ساعت های اتمی هستند. از آخرین اختراعات ساعت اتمی است استرانسیوم، که سه برابر دقیق تر از سزیوم مشابه خود هستند. برای اینکه فقط یک ثانیه عقب بمانند، به 15 میلیارد سال زمان نیاز دارند - زمانی بیشتر از سن جهان ما...

اگر خطایی پیدا کردید، لطفاً قسمتی از متن را برجسته کرده و کلیک کنید Ctrl+Enter.

ساعت اتمی 27 ژانویه 2016

زادگاه اولین ساعت جیبی جهان با استاندارد زمان اتمی داخلی سوئیس یا حتی ژاپن نخواهد بود. ایده ایجاد آنها در قلب بریتانیا در برند لندن Hoptroff سرچشمه گرفت

ساعت‌های اتمی یا همان‌طور که «ساعت‌های کوانتومی» نیز نامیده می‌شوند، وسیله‌ای هستند که زمان را با استفاده از ارتعاشات طبیعی مرتبط با فرآیندهایی که در سطح اتم‌ها یا مولکول‌ها اتفاق می‌افتند اندازه‌گیری می‌کنند. ریچارد هاپتروف به این نتیجه رسید که وقت آن رسیده است که آقایان مدرنی که به دستگاه‌های فوق‌فناوری علاقه دارند، ساعت‌های جیبی مکانیکی خود را با چیزی عجیب‌تر و غیر متعارف‌تر و همچنین مطابق با روندهای مدرن شهری مبادله کنند.

به این ترتیب، ساعت اتمی جیبی Hoptroff No. 10، که می تواند نسل مدرن را شگفت زده کند، که با گجت های فراوانی پیچیده است، نه تنها با سبک یکپارچهسازی با سیستمعامل و دقت فوق العاده، بلکه با عمر مفید آن. به گفته سازندگان، با همراه داشتن این ساعت، می توانید حداقل 5 میلیارد سال وقت شناس ترین فرد باقی بمانید.

چه چیز دیگری می توانید در مورد آنها جالب بدانید ...

عکس 2.

برای همه کسانی که هرگز به چنین ساعت هایی علاقه مند نبوده اند، ارزش دارد که به طور مختصر اصول عملکرد آنها را توضیح دهیم. چیزی در داخل «دستگاه اتمی» وجود ندارد که شبیه یک ساعت مکانیکی کلاسیک باشد. در Hoptroff شماره. 10 هیچ قطعه مکانیکی وجود ندارد. در عوض، ساعت های جیبی اتمی مجهز به یک محفظه مهر و موم شده پر از گاز رادیواکتیو هستند که دمای آن توسط یک کوره مخصوص کنترل می شود. زمان سنجی دقیق به شرح زیر انجام می شود: لیزرها اتم های یک عنصر شیمیایی را تحریک می کنند که نوعی پرکننده ساعت است و تشدید کننده هر گذار اتمی را ثبت و اندازه گیری می کند. امروزه عنصر اساسی چنین وسایلی سزیم است. اگر سیستم واحدهای SI را به یاد بیاوریم، در آن مقدار یک ثانیه به تعداد دوره های تابش الکترومغناطیسی در طول انتقال اتم سزیم-133 از یک سطح انرژی به سطح دیگر مربوط می شود.

عکس 3.

اگر در گوشی های هوشمند قلب دستگاه یک تراشه پردازنده در نظر گرفته می شود، در Hoptroff No. 10 این نقش توسط ماژول مولد زمان مرجع انجام می شود. این تراشه توسط Symmetricom عرضه می شود و خود تراشه در ابتدا با هدف استفاده در صنایع نظامی - در وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین - ساخته شده است.

ساعت اتمی CSAC مجهز به یک ترموستات با دمای کنترل شده است که حاوی محفظه ای حاوی بخار سزیم است. تحت تأثیر لیزر بر روی اتم های سزیم 133، انتقال آنها از یک حالت انرژی به حالت دیگر آغاز می شود که با استفاده از تشدید کننده مایکروویو اندازه گیری می شود. از سال 1967، سیستم بین المللی واحدها (SI) یک ثانیه را به عنوان 9،192،631،770 دوره تابش الکترومغناطیسی تولید شده در طول انتقال بین دو سطح فوق ریز از حالت پایه یک اتم سزیم-133 تعریف کرده است. بر این اساس، تصور یک ساعت مبتنی بر سزیم از نظر فنی دقیق‌تر دشوار است. با گذشت زمان، با توجه به آخرین پیشرفت‌ها در زمینه اندازه‌گیری زمان، دقت ساعت‌های نوری جدید مبتنی بر یون آلومینیومی که در فرکانس تابش اشعه ماوراء بنفش (100000 برابر بیشتر از فرکانس‌های مایکروویو ساعت‌های سزیمی) ضربان دارد، صدها برابر بیشتر خواهد شد. از دقت کرنومترهای اتمی. به بیان ساده، مدل جیبی جدید Hoptroff شماره 10 دارای خطای اجرای 0.0015 ثانیه در سال است که 2.4 میلیون بار بهتر از استانداردهای COSC است.

عکس 4.

جنبه کاربردی دستگاه نیز در آستانه فانتزی قرار دارد. با کمک آن می توانید دریابید: زمان، تاریخ، روز هفته، سال، طول و عرض جغرافیایی در مقادیر مختلف، فشار، رطوبت، ساعت ها و دقیقه های غیر طبیعی، پیش بینی جزر و مد و بسیاری از شاخص های دیگر. این ساعت طلایی است و قرار است از پرینت سه بعدی برای ساخت قاب آن از فلز گرانبها استفاده شود.

ریچارد هاپتروف صمیمانه معتقد است که این گزینه خاص برای تولید فرزند فکری او ارجح ترین است. برای تغییر جزئی اجزای طراحی سازه، به هیچ وجه نیازی به بازسازی خط تولید نخواهد بود، بلکه باید از انعطاف پذیری عملکردی دستگاه چاپ سه بعدی برای این کار استفاده کرد. البته شایان ذکر است که نمونه اولیه ساعت نمایش داده شده به روش کلاسیک ساخته شده است.

عکس 5.

این روزها زمان بسیار گران است و Hoptroff No. 10 تأیید مستقیم این موضوع است. طبق اطلاعات اولیه، اولین دسته از دستگاه‌های اتمی 12 عددی خواهد بود و از نظر قیمت تمام شده، قیمت 1 عدد آن 78000 دلار خواهد بود.

عکس 6.

به گفته ریچارد هاپتروف، مدیر عامل این برند، موقعیت مکانی هاپتروف در لندن نقش کلیدی در پیدایش این ایده داشت. ما در حرکات کوارتز خود از یک سیستم نوسانی با دقت بالا با سیگنال GPS استفاده می کنیم. اما در مرکز لندن گرفتن این سیگنال چندان آسان نیست. یک روز در حین سفر به رصدخانه گرینویچ، یک ساعت اتمی هیولت پاکارد را در آنجا دیدم و تصمیم گرفتم از طریق اینترنت چیزی مشابه برای خودم بخرم. و من نتوانستم. در عوض، با اطلاعاتی در مورد یک تراشه از Symmetricon مواجه شدم و پس از سه روز فکر، متوجه شدم که برای یک ساعت جیبی عالی است.

تراشه مورد بحث ساعت اتمی سزیمی SA.45s (CSAC) است که یکی از اولین نسل از ساعت های اتمی مینیاتوری برای گیرنده های GPS، رادیوهای کوله پشتی و وسایل نقلیه بدون سرنشین است. با وجود ابعاد متوسط ​​آن (40 میلی متر در 34.75 میلی متر)، هنوز بعید است که در یک ساعت مچی جا شود. بنابراین، هاپتروف تصمیم گرفت آنها را به یک مدل جیبی با ابعاد نسبتاً قابل احترام (قطر 82 میلی متر) مجهز کند.

Hoptroff No 10 (نهمین جنبش این برند) علاوه بر دقیق‌ترین ساعت جهان، ادعا می‌کند که اولین قاب طلایی است که با استفاده از فناوری چاپ سه بعدی ساخته شده است. هاپتروف هنوز نمی تواند با قطعیت بگوید که برای ساخت این مورد به چه مقدار طلا نیاز است (کار بر روی اولین نمونه اولیه با انتشار این موضوع تکمیل شد)، اما تخمین می زند که هزینه آن "حداقل چند هزار پوند" باشد. و با توجه به میزان تحقیقاتی که برای توسعه محصول انجام شده است (با استفاده از تابع محاسبه جزر و مد با استفاده از ثابت های هارمونیک برای 3000 پورت مختلف)، می توان انتظار داشت که قیمت نهایی خرده فروشی آن حدود 50000 پوند باشد.

بدنه طلایی مدل شماره 10 همانطور که از چاپگر سه بعدی و به صورت تمام شده بیرون می آید

خریداران به طور خودکار عضو یک باشگاه انحصاری می شوند و ملزم به امضای تعهد کتبی مبنی بر عدم استفاده از تراشه ساعت اتمی به عنوان سلاح خواهند بود. آقای هاپتروف توضیح می‌دهد: «این یکی از شروط قرارداد ما با تأمین‌کننده است، زیرا تراشه اتمی در ابتدا در سیستم‌های هدایت موشک استفاده می‌شد». هزینه زیادی برای فرصت داشتن ساعتی با دقت بی عیب و نقص پرداخت نمی شود.

صاحبان خوش شانس شماره 10 از Hoptroff بسیار بیشتر از یک ساعت با دقت بالا در اختیار خواهند داشت. این مدل همچنین به عنوان یک دستگاه ناوبری جیبی عمل می‌کند و به شخص اجازه می‌دهد با استفاده از یک سکسانت ساده، طول جغرافیایی را با دقت یک مایل دریایی، حتی پس از سال‌ها حضور در دریا، تعیین کند. این مدل دو صفحه دریافت خواهد کرد، اما طراحی یکی از آنها هنوز مخفی نگه داشته شده است. دیگری گردبادی از شمارنده‌ها است که تا 28 عارضه را نشان می‌دهد: از همه عملکردهای زمان‌سنجی ممکن و نشانگرهای تقویم گرفته تا قطب‌نما، دماسنج، رطوبت سنج (دستگاهی برای اندازه‌گیری سطح رطوبت)، فشارسنج، شمارنده‌های طول و عرض جغرافیایی و جزر و مد بالا/پایین. نشانگر و این به ذکر شاخص های حیاتی وضعیت ترموستات اتمی نیست.

هاپتروف قصد دارد تعدادی محصول جدید تولید کند، از جمله نسخه الکترونیکی ساعت افسانه ای مسافر فضایی جورج دنیلز. در حال حاضر بر روی یکپارچه سازی فناوری بلوتوث در ساعت برای ذخیره اطلاعات شخصی کاربر و امکان تنظیم خودکار عوارض مانند نشانگر فاز ماه کار می شود.

وقتی چراغ به طور ناگهانی خاموش می شود و کمی بعد دوباره روشن می شود، چگونه می دانید ساعت را چه ساعتی تنظیم کنید؟ بله، من در مورد ساعت های الکترونیکی صحبت می کنم که احتمالاً بسیاری از ما آن را داریم. آیا تا به حال به نحوه تنظیم زمان فکر کرده اید؟ در این مقاله، همه چیز را در مورد ساعت اتمی و اینکه چگونه کل جهان را تیک تیک می کند، خواهیم آموخت.

ساعت های اتمی بهتر از هر ساعت دیگری زمان را نشان می دهند. آنها زمان را بهتر از چرخش زمین و حرکت ستارگان نشان می دهند. بدون ساعت های اتمی، ناوبری GPS غیرممکن خواهد بود، هماهنگ نمی شود و موقعیت سیارات با دقت کافی برای کاوشگرهای فضایی و وسایل نقلیه شناخته نمی شود.

ساعت های اتمی رادیواکتیو نیستند. آنها به شکافت اتمی متکی نیستند. علاوه بر این، مانند یک ساعت معمولی، فنر دارد. بزرگترین تفاوت بین ساعت استاندارد و ساعت اتمی این است که نوسانات ساعت اتمی در هسته یک اتم بین الکترون های اطراف آن رخ می دهد. این نوسانات به سختی با چرخ تعادل در یک ساعت پیچ در پیچ موازی هستند، اما از هر دو نوع نوسان می توان برای ردیابی گذر زمان استفاده کرد. فرکانس ارتعاشات درون یک اتم با جرم هسته، گرانش و "چشمه" الکترواستاتیکی بین بار مثبت هسته و ابر الکترون های اطراف آن تعیین می شود.

چه نوع ساعت های اتمی را می شناسیم؟

امروزه انواع مختلفی از ساعت های اتمی وجود دارد، اما آنها بر اساس اصول یکسانی ساخته می شوند. تفاوت اصلی به عنصر و ابزار تشخیص تغییرات در سطوح انرژی مربوط می شود. انواع مختلف ساعت های اتمی شامل موارد زیر است:

• ساعت های اتمی سزیوم با استفاده از پرتوهای اتم سزیم. ساعت با استفاده از میدان مغناطیسی اتم های سزیم را با سطوح انرژی متفاوت جدا می کند.
• ساعت اتمی هیدروژن اتم‌های هیدروژن را در سطح انرژی مناسب در ظرفی که دیواره‌های آن از ماده خاصی ساخته شده نگه می‌دارد تا اتم‌ها خیلی سریع حالت پرانرژی خود را از دست ندهند.
• ساعت‌های اتمی روبیدیم، ساده‌ترین و فشرده‌ترین ساعت‌ها، از سلول شیشه‌ای حاوی گاز روبیدیم استفاده می‌کنند.

دقیق ترین ساعت های اتمی امروزی از اتم سزیم و میدان مغناطیسی معمولی با آشکارسازها استفاده می کنند. علاوه بر این، اتم‌های سزیم توسط پرتوهای لیزر محصور شده‌اند که به دلیل اثر داپلر، تغییرات کوچک فرکانس را کاهش می‌دهد.

ساعت های اتمی مبتنی بر سزیم چگونه کار می کنند؟

اتم ها فرکانس ارتعاشی مشخصی دارند. یک مثال آشنا از فرکانس، درخشش نارنجی سدیم در نمک خوراکی است که در آتش پرتاب می شود. یک اتم دارای فرکانس های بسیار متفاوتی است، برخی در محدوده رادیویی، برخی در طیف مرئی و برخی در بین. سزیم-133 اغلب برای ساعت های اتمی انتخاب می شود.

برای ایجاد تشدید اتم‌های سزیم در یک ساعت اتمی، یکی از انتقال‌ها یا فرکانس تشدید باید دقیقاً اندازه‌گیری شود. این کار معمولاً با قفل کردن یک نوسانگر کریستالی در رزونانس مایکروویو بنیادی اتم سزیم انجام می‌شود. این سیگنال در محدوده مایکروویو طیف فرکانس رادیویی قرار دارد و دارای فرکانس مشابه سیگنال های پخش مستقیم ماهواره است. مهندسان می دانند که چگونه تجهیزات این منطقه طیف را با جزئیات زیاد ایجاد کنند.

برای ایجاد یک ساعت، ابتدا سزیم را گرم می کنند تا اتم ها تبخیر شوند و از یک لوله با خلاء بالا عبور کنند. آنها ابتدا از یک میدان مغناطیسی عبور می کنند که اتم هایی را با حالت انرژی مورد نظر انتخاب می کند. سپس از یک میدان مایکروویو شدید عبور می کنند. فرکانس انرژی مایکروویو در محدوده باریکی از فرکانس ها به جلو و عقب می پرد به طوری که در یک نقطه خاص به فرکانس 9,192,631,770 هرتز (هرتز یا سیکل در ثانیه) می رسد. محدوده نوسانگر مایکروویو در حال حاضر نزدیک به این فرکانس است زیرا توسط یک نوسانگر کریستالی دقیق تولید می شود. هنگامی که یک اتم سزیم انرژی مایکروویو با فرکانس مورد نظر را دریافت می کند، حالت انرژی خود را تغییر می دهد.

در انتهای لوله، میدان مغناطیسی دیگری اتم هایی را جدا می کند که اگر میدان مایکروویو فرکانس مناسبی داشته باشد، حالت انرژی خود را تغییر داده اند. آشکارساز در انتهای لوله یک سیگنال خروجی متناسب با تعداد اتم‌های سزیمی که به آن برخورد می‌کند تولید می‌کند و زمانی که فرکانس مایکروویو به اندازه کافی صحیح باشد به اوج خود می‌رسد. این سیگنال پیک برای تصحیح لازم است تا نوسانگر کریستالی و در نتیجه میدان مایکروویو را به فرکانس مورد نظر برساند. سپس این فرکانس مسدود شده بر 9،192،631،770 تقسیم می‌شود تا یک پالس آشنا در هر ثانیه که دنیای واقعی به آن نیاز دارد، بدهد.

ساعت اتمی چه زمانی اختراع شد؟

در سال 1945، ایسیدور رابی، استاد فیزیک دانشگاه کلمبیا، ساعتی را پیشنهاد کرد که می‌توان آن را بر اساس تکنیک‌های توسعه‌یافته در دهه 1930 ساخت. آن را تشدید مغناطیسی پرتو اتمی می نامیدند. در سال 1949، اداره ملی استانداردها ساخت اولین ساعت اتمی جهان را بر اساس مولکول آمونیاک اعلام کرد که ارتعاشات آن خوانده شد و در سال 1952 اولین ساعت اتمی جهان را بر اساس اتم های سزیم به نام NBS-1 ایجاد کرد.

در سال 1955، آزمایشگاه ملی فیزیک در انگلستان اولین ساعت را با استفاده از پرتو سزیوم به عنوان منبع کالیبراسیون ساخت. در طول دهه بعد، ساعت های پیشرفته تری ساخته شدند. در سال 1967، طی سیزدهمین کنفرانس عمومی اوزان و اندازه‌ها، SI دوم بر اساس ارتعاشات اتم سزیم تعیین شد. در سیستم زمان سنجی دنیا تعریف دقیق تر از این وجود نداشت. NBS-4، پایدارترین ساعت سزیمی جهان، در سال 1968 تکمیل شد و تا سال 1990 مورد استفاده قرار گرفت.

در سال 1999، NBS که به NIST تغییر نام داد، شروع به کار با ساعت NIST-F1 کرد که دقت آن در عرض یک ثانیه از 20 میلیون سال بود.

زمان اتمی چگونه اندازه گیری می شود؟

فرکانس صحیح رزونانس یک ذره سزیم امروزه طبق توافق بین المللی 9192631770 هرتز تعیین شده است، بنابراین تقسیم سیگنال خروجی بر این عدد باید به 1 هرتز یا 1 سیکل در ثانیه منجر شود.

دقت اندازه گیری زمان یک میلیون بار بیشتر از روش های نجومی است. امروزه هر پنج میلیارد سال یک ثانیه از دست می دهد.