W zeszłym roku, 2012, minęło czterdzieści pięć lat, odkąd ludzkość zdecydowała się użyć atomowego pomiaru czasu, aby mierzyć czas tak dokładnie, jak to możliwe. W 1967 roku międzynarodowa kategoria czasu przestała być określana przez skale astronomiczne – zastąpiła je cezowa norma częstotliwości. To on otrzymał popularną obecnie nazwę - zegary atomowe. Dokładny czas, który pozwalają określić, ma znikomy błąd jednej sekundy na trzy miliony lat, co pozwala na stosowanie ich jako wzorca czasu w dowolnym zakątku świata.
Trochę historii
Sama idea wykorzystania drgań atomowych do ultraprecyzyjnego pomiaru czasu została po raz pierwszy wyrażona w 1879 roku przez brytyjskiego fizyka Williama Thomsona. W roli emitera atomów rezonatora naukowiec ten zaproponował wykorzystanie wodoru. Pierwsze próby realizacji idei podjęto dopiero w latach 40. XX wieku. dwudziesty wiek. A pierwszy na świecie działający zegar atomowy pojawił się w 1955 roku w Wielkiej Brytanii. Ich twórcą był brytyjski fizyk eksperymentalny dr Louis Essen. Zegar ten działał w oparciu o drgania atomów cezu-133 i dzięki nim naukowcy mogli wreszcie mierzyć czas ze znacznie większą dokładnością niż dotychczas. Pierwsze urządzenie Essena dopuszczało błąd nie większy niż sekunda na każde sto lat, ale później błąd ten wzrósł wielokrotnie, a błąd na sekundę może się kumulować tylko w ciągu 2-3 setek milionów lat.
Zegar atomowy: jak to działa
Jak działa to genialne „urządzenie”? Jako generator częstotliwości rezonansowej zegary atomowe wykorzystują molekuły lub atomy na poziomie kwantowym. ustanawia połączenie pomiędzy układem „jądro atomowe – elektrony” z kilkoma dyskretnymi poziomami energetycznymi. Jeżeli na taki układ oddziałuje się ze ściśle określoną częstotliwością, to nastąpi przejście tego układu z poziomu niskiego na wysoki. Możliwy jest również proces odwrotny: przejście atomu z poziomu wyższego na niższy, któremu towarzyszy emisja energii. Zjawiska te można kontrolować i rejestrować wszelkie skoki energii, tworząc coś w rodzaju obwodu oscylacyjnego (nazywanego również oscylatorem atomowym). Jego częstotliwość rezonansowa będzie odpowiadać różnicy energii między sąsiednimi poziomami przejściowymi atomów, podzielonej przez stałą Plancka.
Taki obwód oscylacyjny ma niezaprzeczalne zalety w stosunku do swoich mechanicznych i astronomicznych poprzedników. Dla jednego takiego oscylatora atomowego częstotliwość rezonansowa atomów dowolnej substancji będzie taka sama, czego nie można powiedzieć o wahadłach i piezokryształach. Ponadto atomy nie zmieniają swoich właściwości w czasie i nie zużywają się. Dlatego zegary atomowe są niezwykle dokładnymi i niemal wiecznymi chronometrami.
Dokładny czas i nowoczesne technologie
Sieci telekomunikacyjne, łączność satelitarna, GPS, serwery NTP, transakcje elektroniczne na giełdzie, aukcje internetowe, procedura zakupu biletów przez Internet - wszystkie te i wiele innych zjawisk od dawna jest mocno zakorzenione w naszym życiu. Ale gdyby ludzkość nie wynalazła zegara atomowego, to wszystko po prostu by się nie wydarzyło. Dokładny czas, z którym synchronizacja pozwala zminimalizować wszelkie błędy, opóźnienia i opóźnienia, pozwala człowiekowi maksymalnie wykorzystać ten bezcenny niezastąpiony zasób, którego nigdy nie jest za dużo.
Nowy impuls w rozwoju urządzeń do pomiaru czasu nadali fizycy atomowi.
W 1949 roku zbudowano pierwszy zegar atomowy, w którym źródłem oscylacji nie było wahadło ani oscylator kwarcowy, ale sygnały związane z kwantowym przejściem elektronu między dwoma poziomami energetycznymi atomu.
W praktyce takie zegary okazywały się niezbyt dokładne, ponadto były nieporęczne i drogie oraz nie były powszechnie stosowane. Następnie postanowiono zwrócić się do pierwiastka chemicznego - cezu. A w 1955 roku pojawił się pierwszy zegar atomowy oparty na atomach cezu.
W 1967 roku zdecydowano się przejść na standard czasu atomowego, ponieważ obrót Ziemi zwalnia, a wielkość tego spowolnienia nie jest stała. To znacznie utrudniało pracę astronomom i strażnikom czasu.
Obecnie Ziemia obraca się z prędkością około 2 milisekund na 100 lat.
Wahania długości dnia również sięgają tysięcznych części sekundy. Dlatego dokładność czasu Greenwich (światowego standardu od 1884 r.) stała się niewystarczająca. W 1967 roku nastąpiło przejście do standardu czasu atomowego.
Dziś sekunda to okres dokładnie równy 9 192 631 770 okresom promieniowania, co odpowiada przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu 133.
Obecnie jako skalę czasową stosuje się uniwersalny czas koordynowany. Jest tworzony przez Międzynarodowe Biuro Miar i Wag poprzez połączenie danych z laboratoriów pomiaru czasu różnych krajów, a także danych z Międzynarodowej Służby Obrotu Ziemi. Jego dokładność jest prawie milion razy lepsza niż astronomiczny czas Greenwich.
Opracowano technologię, która pozwoli radykalnie zmniejszyć rozmiar i koszt ultraprecyzyjnych zegarów atomowych, co umożliwi ich szerokie zastosowanie w urządzeniach mobilnych do różnych celów. Naukowcom udało się stworzyć atomowy standard czasu o bardzo małych rozmiarach. Takie zegary atomowe zużywają mniej niż 0,075 W i mają błąd nie większy niż jedna sekunda na 300 lat.
Amerykańskiemu zespołowi badawczemu udało się stworzyć ultrakompaktowy wzorzec atomowy. Stało się możliwe zasilanie zegarów atomowych z konwencjonalnych baterii AA. Ultraprecyzyjne zegary atomowe, zwykle o wysokości co najmniej jednego metra, umieszczono w objętości 1,5x1,5x4 mm
W Stanach Zjednoczonych opracowano eksperymentalny zegar atomowy oparty na pojedynczym jonie rtęci. Są pięć razy dokładniejsze niż cez, który jest akceptowany jako międzynarodowy standard. Zegary cezowe są tak dokładne, że różnica jednej sekundy zostanie osiągnięta dopiero po 70 milionach lat, a dla zegarów rtęciowych okres ten wyniesie 400 milionów lat.
W 1982 roku nowy obiekt astronomiczny, pulsar milisekundowy, włączył się w spór między astronomiczną definicją standardu czasu a zegarem atomowym, który go wygrał. Sygnały te są tak stabilne, jak najlepsze zegary atomowe
Czy wiedziałeś?
Pierwszy zegarek w Rusi
W 1412 r. w Moskwie na dziedzińcu Wielkiego Księcia za kościołem Zwiastowania umieszczono zegar, a wykonał go serbski mnich Lazar pochodzący z ziemi serbskiej. Niestety, opis tych pierwszych zegarów na Rusi nie zachował się.
________Jak kuranty pojawiły się na Wieży Spasskiej na Kremlu moskiewskim?
W XVII wieku Anglik Christopher Galovey wykonał kuranty dla Wieży Spasskiej: koło godzinowe zostało podzielone na 17 sektorów, jedyna wskazówka zegara była nieruchoma, skierowana w dół i wskazująca dowolną liczbę na tarczy, ale sama tarcza się obracała.
Często słyszymy zdanie, że zegary atomowe zawsze pokazują dokładny czas. Ale z ich nazwy trudno zrozumieć, dlaczego zegary atomowe są najdokładniejsze lub jak działają.
To, że w nazwie znajduje się słowo „atomowy” wcale nie oznacza, że zegarek stanowi zagrożenie dla życia, nawet jeśli od razu na myśl przychodzą myśli o bombie atomowej czy elektrowni atomowej. W tym przypadku mówimy tylko o zasadzie zegara. Jeśli w zwykłych zegarach mechanicznych koła zębate wykonują ruchy wibracyjne i ich ruchy są zliczane, to w zegarach atomowych zliczane są oscylacje elektronów wewnątrz atomów. Aby lepiej zrozumieć zasadę działania, przypomnijmy sobie fizykę cząstek elementarnych.
Wszystkie substancje w naszym świecie składają się z atomów. Atomy składają się z protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony łączą się ze sobą, tworząc jądro, które jest również nazywane nukleonem. Elektrony poruszają się wokół jądra, które może znajdować się na różnych poziomach energii. Najciekawsze jest to, że pochłaniając lub oddając energię, elektron może przejść ze swojego poziomu energetycznego na wyższy lub niższy. Elektron może otrzymywać energię z promieniowania elektromagnetycznego poprzez pochłanianie lub emisję promieniowania elektromagnetycznego o określonej częstotliwości przy każdym przejściu.
Najczęściej spotykane są zegarki, w których do zmiany służą atomy pierwiastka cezu -133. Jeśli w ciągu 1 sekundy wahadło konwencjonalne zegarki wykonuje 1 ruch oscylacyjny, następnie elektrony w zegarach atomowych na bazie cezu-133, przechodząc z jednego poziomu energetycznego na drugi, emitują promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości 9192631770 Hz. Okazuje się, że jedna sekunda jest podzielona na dokładnie taką liczbę przedziałów, jeśli jest liczona w zegarach atomowych. Wartość ta została oficjalnie przyjęta przez społeczność międzynarodową w 1967 roku. Wyobraź sobie ogromną tarczę, na której znajduje się nie 60, ale 9192631770 działek, czyli tylko 1 sekunda. Nic dziwnego, że zegary atomowe są tak dokładne i mają szereg zalet: atomy nie starzeją się, nie zużywają, a częstotliwość oscylacji zawsze będzie taka sama dla jednego pierwiastka chemicznego, dzięki czemu możliwe jest jednoczesne porównywanie , na przykład odczyty zegarów atomowych daleko w kosmosie i na Ziemi, nie bojąc się błędów.
Dzięki zegarom atomowym ludzkość mogła w praktyce sprawdzić poprawność teorii względności i upewnić się, że nie na Ziemi. Zegary atomowe są instalowane na wielu satelitach i statkach kosmicznych, są wykorzystywane do potrzeb telekomunikacyjnych, do komunikacji mobilnej, porównują dokładny czas na całej planecie. Bez przesady, to dzięki wynalezieniu zegara atomowego ludzkość mogła wejść w erę wysokiej technologii.
Jak działają zegary atomowe?
Cez-133 jest ogrzewany przez odparowanie atomów cezu, które przechodzą przez pole magnetyczne, w którym wybierane są atomy o pożądanych stanach energetycznych.
Następnie wybrane atomy przechodzą przez pole magnetyczne o częstotliwości bliskiej 9192631770 Hz, które tworzy oscylator kwarcowy. Pod wpływem pola atomy cezu ponownie zmieniają swoje stany energetyczne i opadają na detektor, który ustala, kiedy największa liczba napływających atomów będzie miała „właściwy” stan energetyczny. Maksymalna liczba atomów o zmienionym stanie energetycznym wskazuje, że częstotliwość pola mikrofalowego jest dobrana prawidłowo, a następnie jej wartość jest podawana do urządzenia elektronicznego - dzielnika częstotliwości, który zmniejszając częstotliwość o całkowitą liczbę razy, otrzymuje liczba 1, która jest sekundą odniesienia.
W ten sposób atomy cezu są wykorzystywane do sprawdzania prawidłowej częstotliwości pola magnetycznego wytwarzanego przez oscylator kwarcowy, pomagając utrzymać jego stałą wartość.
To jest interesujące: chociaż istniejące obecnie zegary atomowe są bezprecedensowo dokładne i mogą działać bezbłędnie przez miliony lat, fizycy nie zamierzają na tym poprzestać. Wykorzystując atomy różnych pierwiastków chemicznych, nieustannie pracują nad poprawą dokładności zegarów atomowych. Z najnowszych wynalazków - zegary atomowe włączone stront, które są trzy razy dokładniejsze niż ich cezowy odpowiednik. Zajęłoby im 15 miliardów lat, aby być tylko sekundę w tyle – czas dłuższy niż wiek naszego wszechświata…
Jeśli znajdziesz błąd, zaznacz fragment tekstu i kliknij Ctrl+Enter.
Zegar atomowy 27 stycznia 2016 r
Szwajcaria, ani nawet Japonia nie będą kolebką pierwszego na świecie zegarka kieszonkowego z wbudowanym wzorcem czasu atomowego. Pomysł ich stworzenia narodził się w sercu Wielkiej Brytanii od londyńskiej marki Hoptroff
Atomic, lub jak są one również nazywane „zegarami kwantowymi”, to urządzenie odmierzające czas za pomocą naturalnych drgań związanych z procesami zachodzącymi na poziomie atomów lub cząsteczek. Richard Hoptroff uznał, że nadszedł czas, aby współcześni dżentelmeni, zainteresowani urządzeniami high-tech, zmienili kieszonkowe mechaniczne zegarki na coś bardziej ekstrawaganckiego i nietuzinkowego, a także zgodnego z nowoczesnymi miejskimi trendami.
Publiczności pokazano więc elegancki kieszonkowy atomowy zegarek Hoptroff No. 10, który potrafi zaskoczyć współczesne pokolenie, skuszone obfitością gadżetów, nie tylko stylem retro i fantastyczną celnością, ale także żywotnością. Według twórców, mając ten zegarek przy sobie, będziesz w stanie pozostać najbardziej punktualną osobą przez co najmniej 5 miliardów lat.
Co jeszcze ciekawego można się o nich dowiedzieć...
Zdjęcie 2. 
Dla wszystkich, którzy nigdy nie interesowali się takimi zegarkami, warto pokrótce opisać zasadę ich działania. Wewnątrz „urządzenia atomowego” nie ma nic, co przypominałoby klasyczny zegarek mechaniczny. W Hoptroffie nr. 10 nie ma części mechanicznych jako takich. Zamiast tego atomowe zegarki kieszonkowe są wyposażone w szczelną komorę wypełnioną radioaktywną substancją gazową, której temperatura jest kontrolowana przez specjalny piec. Dokładny czas jest następujący: lasery wzbudzają atomy pierwiastka chemicznego, który jest swego rodzaju „wypełniaczem” zegara, a rezonator wychwytuje i mierzy każde przejście atomowe. Dziś podstawowym pierwiastkiem takich urządzeń jest cez. Jeśli przypomnimy sobie układ jednostek SI, to w nim wartość sekundy jest związana z liczbą okresów promieniowania elektromagnetycznego podczas przejścia atomów cezu-133 z jednego poziomu energetycznego na drugi.
Zdjęcie 3. 
Jeśli w smartfonach układ procesora jest uważany za serce urządzenia, to w Hoptroff No. 10 rolę tę pełni moduł-generator czasu odniesienia. Dostawcą jest firma Symmetricom, a sam układ początkowo miał być przeznaczony do wykorzystania w przemyśle wojskowym – w bezzałogowych statkach powietrznych.
Zegar atomowy CSAC jest wyposażony w termostat z regulacją temperatury zawierający komorę parową cezu. Pod wpływem lasera na atomy cezu-133 rozpoczyna się ich przejście z jednego stanu energetycznego do drugiego, do którego pomiaru służy rezonator mikrofalowy. Od 1967 roku Międzynarodowy Układ Jednostek (SI) zdefiniował jedną sekundę jako 9 192 631 770 okresów promieniowania elektromagnetycznego powstającego w wyniku przejścia między dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu-133. Na tej podstawie trudno sobie wyobrazić dokładniejszy technicznie zegarek oparty na cezie. Z czasem, dzięki niedawnym postępom w mierzeniu czasu, nowe zegary optyczne oparte na jonach aluminium pulsujących z częstotliwością ultrafioletową (100 000 częstotliwości mikrofalowych zegarów cezowych) będą setki razy dokładniejsze niż chronometry atomowe. Mówiąc prościej, nowy zegarek kieszonkowy Hoptroff nr 10 ma dokładność 0,0015 sekundy rocznie, 2,4 miliona razy lepszą niż standardy COSC.
Zdjęcie 4. 
Funkcjonalna strona urządzenia również jest na granicy fantazji. Dzięki niemu możesz dowiedzieć się: czas, data, dzień tygodnia, rok, szerokość i długość geograficzna w różnych wartościach, ciśnienie, wilgotność, gwiezdne godziny i minuty, prognoza pływów i wiele innych wskaźników. Zegarek jest w kolorze złotym i planuje się użyć druku 3D do stworzenia jego metalowej koperty.
Richard Hoptrof szczerze wierzy, że ta konkretna opcja produkcyjna dla jego potomstwa jest najkorzystniejsza. Aby nieco zmienić element konstrukcyjny projektu, wcale nie będzie konieczna przebudowa linii produkcyjnej, ale wykorzystanie do tego funkcjonalnej elastyczności urządzenia drukującego 3D. Co prawda warto zauważyć, że pokazany prototyp zegarka został wykonany w klasyczny sposób.
Zdjęcie 5. 
W dzisiejszych czasach czas jest bardzo cenny, a zegarek kieszonkowy Hoptroff No. 10 jest tego bezpośrednim potwierdzeniem. Według wstępnych informacji pierwsza partia urządzeń jądrowych będzie liczyć 12 sztuk, a jeśli chodzi o koszt, to cena za 1 egzemplarz wyniesie 78 000 USD.
Zdjęcie 6. 
Według Richarda Hoptroffa, dyrektora zarządzającego marki, londyńska rezydencja Hoptroffa odegrała kluczową rolę w pomyśle. „W naszych mechanizmach kwarcowych używamy bardzo precyzyjnego systemu oscylacyjnego z sygnałem GPS. Ale w centrum Londynu nie jest tak łatwo złapać ten sam sygnał. Kiedyś podczas wycieczki do Obserwatorium w Greenwich zobaczyłem tam zegar atomowy firmy Hewlett Packard i postanowiłem kupić coś podobnego dla siebie przez Internet. I nie mogłem. Zamiast tego natknąłem się na informację o chipie Symmetricon i po trzech dniach namysłu doszedłem do wniosku, że idealnie nadałby się do zegarka kieszonkowego.”
Chip, o którym mowa, to cezowy zegar atomowy SA.45s (CSAC), pierwsza generacja miniaturowych zegarów atomowych do odbiorników GPS, radioodbiorników plecakowych i dronów. Pomimo niewielkich wymiarów (40 mm x 34,75 mm) raczej nie zmieści się w zegarku naręcznym. Dlatego Hoptroff zdecydował się wyposażyć w nie dość solidny model kieszonkowy (o średnicy 82 mm).
Oprócz tego, że jest najdokładniejszym zegarkiem na świecie, Hoptroff No 10 (dziesiąty mechanizm marki) twierdzi, że jest również pierwszą złotą kopertą wykonaną przy użyciu technologii druku 3D. Hoptroff nie jest jeszcze pewien, ile złota będzie potrzebne do wykonania obudowy (prace nad pierwszym prototypem zakończono, gdy numer trafił do druku), ale sugeruje, że jej koszt wyniesie „minimum kilka tysięcy funtów”. A biorąc pod uwagę wszystkie badania i rozwój wymagane do opracowania produktu (pomyśl o funkcji pływów dla stałych harmonicznych dla 3000 różnych portów), można oczekiwać, że ostateczna cena detaliczna wyniesie około 50 000 GBP.
Złota obudowa modelu nr 10 na wyjściu z drukarki 3D iw gotowej formie
Kupujący automatycznie stają się członkami ekskluzywnego klubu i będą musieli podpisać pisemne zobowiązanie do niewykorzystywania chipa zegara atomowego jako broni. „To jeden z warunków naszej umowy z dostawcą”, wyjaśnia pan Hoptroff, „ponieważ chip atomowy był pierwotnie używany w systemach naprowadzania rakiet”. Niewiele jak na zegarek o nienagannej dokładności.
Szczęśliwi posiadacze No.10 by Hoptroff będą mieli do dyspozycji znacznie więcej niż tylko precyzyjny zegarek. Model ten służy również jako kieszonkowe urządzenie nawigacyjne, które pozwala określić długość geograficzną z dokładnością do jednej mili morskiej, nawet po wielu latach spędzonych na morzu, za pomocą prostego sekstantu. Model otrzyma dwie tarcze, ale projekt jednej z nich nadal jest utrzymywany w tajemnicy. Drugi to wir liczników wyświetlający aż 28 komplikacji: od wszystkich możliwych funkcji chronometrycznych i wskaźników kalendarza po kompas, termometr, higrometr (urządzenie do pomiaru wilgotności), barometr, liczniki długości i szerokości geograficznej oraz wskaźnik wysokiej / odpływ. Nie wspominając już o istotnych wskaźnikach stanu termostatu atomowego.
Hoptroff planuje wprowadzić na rynek szereg nowych produktów, w tym elektroniczną wersję legendarnego, skomplikowanego zegarka George'a Danielsa Space Traveler. Obecnie trwają prace nad zintegrowaniem technologii Bluetooth z zegarkiem w celu przechowywania danych osobowych użytkownika i umożliwienia automatycznej regulacji komplikacji, takich jak wyświetlanie faz księżyca.
Kiedy światło nagle gaśnie i zapala się trochę później, skąd wiesz, na którą godzinę należy ustawić zegar? Tak, mowa o zegarkach elektronicznych, które zapewne posiada wielu z nas. Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak reguluje się czas? W tym artykule dowiemy się wszystkiego o zegarach atomowych i o tym, jak sprawiają, że cały świat tyka.
Zegary atomowe wskazują czas lepiej niż jakikolwiek inny zegar. Odwzorowują czas lepiej niż obrót Ziemi i ruch gwiazd. Bez zegarów atomowych nawigacja GPS byłaby niemożliwa, nie byłaby zsynchronizowana, a położenie planet nie byłoby znane z wystarczającą dokładnością dla sond kosmicznych i pojazdów.
Zegary atomowe nie są radioaktywne. Nie opierają się na rozpadzie atomowym. Ponadto mają sprężynę, podobnie jak zwykłe zegarki. Największa różnica między zegarami standardowymi a zegarami atomowymi polega na tym, że oscylacje w zegarach atomowych zachodzą w jądrze atomu między otaczającymi je elektronami. Trudno nazwać te oscylacje równoległymi do koła balansowego w nakręcanym zegarku, ale oba rodzaje oscylacji można wykorzystać do śledzenia upływającego czasu. Częstotliwość oscylacji w atomie jest określona przez masę jądra, grawitację i elektrostatyczną „sprężynę” między dodatnim ładunkiem jądra a chmurą elektronów wokół niego.
Jakie znamy rodzaje zegarów atomowych?
Obecnie istnieją różne rodzaje zegarów atomowych, ale są one zbudowane na tych samych zasadach. Główna różnica dotyczy pierwiastka i sposobu wykrywania zmian poziomu energii. Wśród różnych typów zegarów atomowych wyróżnia się:
- Cezowe zegary atomowe wykorzystujące wiązki atomów cezu. Zegar oddziela atomy cezu o różnych poziomach energii za pomocą pola magnetycznego.
- Wodorowy zegar atomowy utrzymuje atomy wodoru na odpowiednim poziomie energetycznym w pojemniku, którego ścianki wykonane są ze specjalnego materiału, dzięki czemu atomy nie tracą zbyt szybko stanu wysokoenergetycznego.
- Rubidowe zegary atomowe, najprostsze i najbardziej kompaktowe ze wszystkich, wykorzystują szklaną celę wypełnioną gazem rubidowym.
Obecnie najdokładniejsze zegary atomowe wykorzystują atom cezu i konwencjonalne pole magnetyczne z detektorami. Ponadto atomy cezu są zatrzymywane przez wiązki laserowe, co zmniejsza niewielkie zmiany częstotliwości spowodowane efektem Dopplera.
Jak działają zegary atomowe oparte na cezie?
Atomy mają charakterystyczną częstotliwość drgań. Znanym przykładem częstotliwości jest pomarańczowa poświata sodu w soli kuchennej po wrzuceniu do ognia. Atom ma wiele różnych częstotliwości, niektóre w zakresie radiowym, niektóre w widmie widzialnym, a niektóre pomiędzy. Cez-133 jest najczęściej wybierany do zegarów atomowych.
Aby wywołać rezonans atomów cezu w zegarze atomowym, należy dokładnie zmierzyć jedno z przejść, czyli częstotliwość rezonansową. Zwykle odbywa się to poprzez zablokowanie oscylatora kwarcowego w podstawowym rezonansie mikrofalowym atomu cezu. Sygnał ten znajduje się w zakresie mikrofalowym widma częstotliwości radiowych i ma taką samą częstotliwość jak sygnały z satelitów transmisji bezpośredniej. Inżynierowie wiedzą, jak stworzyć sprzęt dla tego obszaru widma, aż do najdrobniejszych szczegółów.
Aby stworzyć zegar, cez jest najpierw podgrzewany, tak że atomy odparowują i przechodzą przez rurkę o wysokiej próżni. Najpierw przechodzą przez pole magnetyczne, które selekcjonuje atomy o pożądanym stanie energetycznym; następnie przechodzą przez intensywne pole mikrofalowe. Częstotliwość energii mikrofalowej skacze tam iz powrotem w wąskim paśmie częstotliwości, aż w pewnym momencie osiąga częstotliwość 9 192 631 770 herców (Hz, czyli cykli na sekundę). Zasięg oscylatora mikrofalowego jest już zbliżony do tej częstotliwości, ponieważ jest wytwarzany przez precyzyjny oscylator kwarcowy. Kiedy atom cezu otrzymuje energię mikrofalową o pożądanej częstotliwości, zmienia swój stan energetyczny.
Na końcu rurki kolejne pole magnetyczne oddziela atomy, które zmieniły swój stan energetyczny, jeśli pole mikrofalowe miało odpowiednią częstotliwość. Detektor na końcu rury daje sygnał wyjściowy proporcjonalny do liczby atomów cezu, które w niego uderzają, i osiąga wartość szczytową, gdy częstotliwość mikrofal jest wystarczająco prawdziwa. Ten szczytowy sygnał jest potrzebny do korekcji w celu doprowadzenia oscylatora kwarcowego, a tym samym pola mikrofalowego, do pożądanej częstotliwości. Ta zablokowana częstotliwość jest następnie dzielona przez 9 192 631 770, aby dać znajomy jeden impuls na sekundę, którego potrzebuje rzeczywisty świat.
Kiedy wynaleziono zegar atomowy?
W 1945 roku profesor fizyki Uniwersytetu Columbia, Isidore Rabi, zaproponował zegar, który można by wykonać przy użyciu technik opracowanych w latach trzydziestych XX wieku. Nazwano to wiązką atomową rezonansu magnetycznego. Do 1949 roku National Bureau of Standards ogłosiło stworzenie pierwszego na świecie zegara atomowego opartego na cząsteczce amoniaku, którego wibracje zostały odczytane, a do 1952 roku stworzyło pierwszy na świecie zegar atomowy oparty na atomach cezu, NBS-1.
W 1955 roku Narodowe Laboratorium Fizyczne w Anglii zbudowało pierwszy zegar wykorzystujący wiązkę cezu jako źródło kalibracji. W ciągu następnej dekady powstały bardziej zaawansowane zegarki. W 1967 roku, podczas XIII Generalnej Konferencji Miar i Wag, na podstawie drgań atomu cezu wyznaczono sekundę w układzie SI. W światowym systemie pomiaru czasu nie było lepszej definicji niż ta. NBS-4, najbardziej stabilny na świecie zegar cezowy, został ukończony w 1968 roku i był używany do 1990 roku.
W 1999 roku NBS, przemianowany na NIST, zaczął pracować z zegarem NIST-F1, który był dokładny z dokładnością do jednej sekundy na 20 milionów lat. 
Jak mierzy się czas atomowy?
Właściwa częstotliwość rezonowania cząstki cezu jest obecnie uznawana na całym świecie za 9 192 631 770 herców, więc podzielenie mocy wyjściowej przez tę liczbę powinno dać 1 Hz, czyli 1 cykl na sekundę.
Dokładność pomiaru czasu jest milion razy większa niż w przypadku metod astronomicznych. Dziś traci jedną sekundę na pięć miliardów lat.
