Förra året, 2012, var det fyrtiofem år sedan mänskligheten bestämde sig för att använda atomär tidtagning för att mäta tiden så exakt som möjligt. 1967 upphörde den internationella tidskategorin att bestämmas av astronomiska skalor - de ersattes av cesiumfrekvensstandarden. Det var han som fick det nu populära namnet - atomur. Den exakta tiden de tillåter att bestämma har ett obetydligt fel på en sekund per tre miljoner år, vilket gör att de kan användas som en tidsstandard i alla hörn av världen.
Lite historia
Själva idén med att använda atomvibrationer för ultraprecis mätning av tid uttrycktes först 1879 av den brittiske fysikern William Thomson. Denna forskare föreslog att använda väte som en utsändare av resonatoratomer. De första försöken att omsätta idén i praktiken gjordes först på 40-talet. tjugonde århundradet. Världens första fungerande atomur dök upp 1955 i Storbritannien. Deras skapare var den brittiske experimentfysikern Dr Louis Essen. Dessa klockor fungerade baserat på vibrationer av cesium-133-atomer, och tack vare dem kunde forskare äntligen mäta tid med mycket större noggrannhet än tidigare. Essens första enhet tillät ett fel på inte mer än en sekund för vart hundra år, men därefter ökade det många gånger och felet per sekund kan bara ackumuleras på 2-3 hundra miljoner år.
Atomklocka: funktionsprincip
Hur fungerar denna smarta "enhet"? Atomklockor använder molekyler eller atomer på kvantnivå som en resonansfrekvensgenerator. etablerar en koppling mellan "atomkärnan - elektroner"-systemet och flera diskreta energinivåer. Om ett sådant system påverkas med en strikt specificerad frekvens, kommer en övergång av detta system från en låg nivå till en hög nivå att ske. Den omvända processen är också möjlig: övergången av en atom från en högre nivå till en lägre, åtföljd av utsläpp av energi. Dessa fenomen kan kontrolleras och alla energihopp kan registreras genom att skapa något som en oscillerande krets (även kallad en atomoscillator). Dess resonansfrekvens kommer att motsvara energiskillnaden mellan närliggande atomära övergångsnivåer, dividerat med Plancks konstant.
En sådan oscillerande krets har obestridliga fördelar jämfört med sina mekaniska och astronomiska föregångare. För en sådan atomoscillator kommer resonansfrekvensen för atomerna av något ämne att vara densamma, vilket inte kan sägas om pendlar och piezokristaller. Dessutom ändrar atomer inte sina egenskaper över tiden och slits inte ut. Därför är atomklockor extremt exakta och praktiskt taget eviga kronometrar.
Exakt tid och modern teknik
Telekommunikationsnätverk, satellitkommunikation, GPS, NTP-servrar, elektroniska transaktioner på börsen, internetauktioner, förfarandet för att köpa biljetter via Internet - alla dessa och många andra fenomen har länge varit fast etablerade i våra liv. Men om mänskligheten inte hade uppfunnit atomklockor, skulle allt detta helt enkelt inte ha hänt. Exakt tid, synkronisering med vilken gör att du kan minimera eventuella fel, förseningar och förseningar, gör att en person kan få ut det mesta av denna ovärderliga oersättliga resurs, som det aldrig finns för mycket av.
En ny impuls i utvecklingen av apparater för att mäta tid gavs av atomfysiker.
1949 byggdes den första atomklockan, där källan till svängningar inte var en pendel eller en kvartsoscillator, utan signaler associerade med en elektrons kvantövergång mellan två energinivåer i en atom.
I praktiken visade sig sådana klockor inte vara särskilt exakta, dessutom var de skrymmande och dyra och användes inte i stor utsträckning. Då beslutades att vända sig till det kemiska grundämnet cesium. Och 1955 dök de första atomur baserade på cesiumatomer upp.
1967 beslutades det att byta till atomtidsstandarden, eftersom jordens rotation saktar ner och storleken på denna avmattning inte är konstant. Detta gjorde arbetet för astronomer och tidhållare mycket svårare.
Jorden roterar för närvarande med en hastighet av cirka 2 millisekunder per 100 år.
Svängningar i dygnets längd når också tusendelar av en sekund. Därför har noggrannheten i Greenwich Mean Time (allmänt accepterad som en global standard sedan 1884) blivit otillräcklig. 1967 skedde övergången till atomär tidsstandard.
Idag är en sekund en tidsperiod exakt lika med 9 192 631 770 strålningsperioder, vilket motsvarar övergången mellan två hyperfina nivåer i grundtillståndet för Cesium 133-atomen.
För närvarande används Coordinated Universal Time som tidsskala. Den bildas av International Bureau of Weights and Measures genom att kombinera data från tidslagringslaboratorier i olika länder, samt data från International Earth Rotation Service. Dess noggrannhet är nästan en miljon gånger högre än den astronomiska Greenwich Mean Time.
En teknik har utvecklats som radikalt kommer att minska storleken och kostnaderna för ultraprecisa atomklockor, vilket kommer att göra det möjligt att brett använda dem i mobila enheter för en mängd olika ändamål. Forskare kunde skapa en atomär tidsstandard av ultraliten storlek. Sådana atomklockor förbrukar mindre än 0,075 W och har ett fel på inte mer än en sekund på 300 år.
En amerikansk forskargrupp har lyckats skapa en ultrakompakt atomstandard. Det har blivit möjligt att driva atomur från vanliga AA-batterier. Ultraexakta atomur, vanligtvis minst en meter höga, placerades i en volym av 1,5x1,5x4 mm
En experimentell atomklocka baserad på en enda kvicksilverjon har utvecklats i USA. De är fem gånger mer exakta än cesium, vilket är accepterat som internationell standard. Cesiumklockor är så exakta att det kommer att ta 70 miljoner år för en avvikelse på en sekund att uppnås, medan för kvicksilverklockor kommer denna period att vara 400 miljoner år.
1982 ingrep ett nytt astronomiskt objekt - en millisekundspulsar - i tvisten mellan den astronomiska definitionen av tidsstandarden och atomuret som vann den. Dessa signaler är lika stabila som de bästa atomklockorna
Visste du?
De första klockorna i Ryssland
År 1412 i Moskva placerades en klocka på storhertigens innergård bakom bebådelsekyrkan, och den gjordes av Lazar, en serbisk munk som kom från det serbiska landet. Tyvärr har ingen beskrivning av dessa första klockor i Rus bevarats.
________Hur dök den ringande klockan upp på Spasskaya-tornet i Kreml i Moskva?
På 1600-talet gjorde engelsmannen Christopher Galloway klockspel för Spasskaya Tower: timcirkeln var uppdelad i 17 sektorer, den enda urvisaren var stillastående, riktad nedåt och pekade på något nummer på urtavlan, men själva urtavlan roterade.
Vi hör ofta frasen att atomur alltid visar den exakta tiden. Men utifrån deras namn är det svårt att förstå varför atomur är de mest exakta eller hur de fungerar.
Bara för att namnet innehåller ordet "atomic" betyder det inte att klockan utgör en livsfara, även om tankar på en atombomb eller ett kärnkraftverk omedelbart dyker upp. I det här fallet pratar vi bara om klockans funktionsprincip. Om i en vanlig mekanisk klocka de oscillerande rörelserna utförs av kugghjul och deras rörelser räknas, så räknas i en atomur svängningarna av elektroner inuti atomer. För att bättre förstå principen om drift, låt oss komma ihåg fysiken hos elementarpartiklar.
Alla ämnen i vår värld är gjorda av atomer. Atomer består av protoner, neutroner och elektroner. Protoner och neutroner kombineras med varandra för att bilda en kärna, som också kallas en nukleon. Elektroner rör sig runt kärnan, som kan vara på olika energinivåer. Det mest intressanta är att när en elektron absorberar eller släpper energi kan den flytta från sin energinivå till en högre eller lägre. En elektron kan få energi från elektromagnetisk strålning, absorbera eller sända ut elektromagnetisk strålning med en viss frekvens med varje övergång.
Oftast finns det klockor där atomer av grundämnet Cesium -133 används för förändring. Om på 1 sekund pendeln vanlig klocka gör 1 oscillerande rörelse, sedan elektronerna i atomur baserad på Cesium-133, när de övergår från en energinivå till en annan, avger de elektromagnetisk strålning med en frekvens på 9192631770 Hz. Det visar sig att en sekund delas upp i exakt detta antal intervall om den räknas i atomur. Detta värde antogs officiellt av det internationella samfundet 1967. Föreställ dig en enorm urtavla med inte 60, utan 9192631770 divisioner, som bara utgör 1 sekund. Det är inte förvånande att atomklockor är så exakta och har ett antal fördelar: atomer är inte föremål för åldrande, slits inte ut och svängningsfrekvensen kommer alltid att vara densamma för ett kemiskt element, tack vare vilket det är möjligt att synkront jämföra till exempel avläsningar av atomur långt i rymden och på jorden, utan rädsla för fel.
Tack vare atomklockor kunde mänskligheten i praktiken testa riktigheten av relativitetsteorin och se till att den är bättre än på jorden. Atomklockor är installerade på många satelliter och rymdfarkoster; de används för telekommunikationsbehov, för mobil kommunikation och de används för att jämföra den exakta tiden på hela planeten. Utan att överdriva var det tack vare uppfinningen av atomur som mänskligheten kunde gå in i högteknologins era.
Hur fungerar atomklockor?
Cesium-133 värms upp genom att cesiumatomer förångas, vilka passerar genom ett magnetfält, där atomer med önskade energitillstånd väljs ut.
De utvalda atomerna passerar sedan genom ett magnetfält med en frekvens nära 9192631770 Hz, som skapas av en kvartsoscillator. Under påverkan av fältet ändrar cesiumatomer återigen energitillstånd och faller på en detektor, som registrerar när det största antalet inkommande atomer kommer att ha "korrekt" energitillstånd. Det maximala antalet atomer med ett ändrat energitillstånd indikerar att frekvensen för mikrovågsfältet är korrekt vald, och sedan matas dess värde in i en elektronisk enhet - en frekvensdelare, som, genom att minska frekvensen med ett helt antal gånger, tar emot siffran 1, som är referens tvåan.
Således används cesiumatomer för att kontrollera den korrekta frekvensen av magnetfältet som produceras av kristalloscillatorn, vilket hjälper till att hålla det vid ett konstant värde.
Det här är intressant: Även om de nuvarande atomklockorna är oöverträffat exakta och kan gå i miljontals år utan fel, kommer fysiker inte att stanna där. Med hjälp av atomer av olika kemiska grundämnen arbetar de ständigt för att förbättra noggrannheten hos atomur. Bland de senaste uppfinningarna är atomuret strontium, som är tre gånger mer exakta än deras cesiummotsvarighet. För att släpa efter bara en sekund kommer de att behöva 15 miljarder år - tid överstiger vårt universums ålder...
Om du hittar ett fel, markera en text och klicka Ctrl+Enter.
Atomklockan 27 januari 2016
Födelseplatsen för världens första fickur med en inbyggd atomtidsstandard kommer inte att vara Schweiz eller ens Japan. Idén om deras skapelse har sitt ursprung i hjärtat av Storbritannien på London-märket Hoptroff
Atomklockor, eller som de också kallas "kvantklockor", är en anordning som mäter tid med hjälp av naturliga vibrationer associerade med processer som sker på nivån av atomer eller molekyler. Richard Hoptroff beslutade att det var dags för moderna herrar som är intresserade av ultrateknologiska apparater att byta ut sina mekaniska fickur mot något mer extravagant och okonventionellt, och även i linje med moderna urbana trender.
Sålunda demonstrerades den eleganta i utseende fickatomur Hoptroff nr. för allmänheten. 10, som kan överraska den moderna generationen, sofistikerad med ett överflöd av prylar, inte bara med sin retrostil och fantastiska noggrannhet, utan också med sin livslängd. Enligt utvecklarna, med den här klockan med dig, kan du förbli den mest punktliga personen i minst 5 miljarder år.
Vad mer kan du hitta intressant om dem...
Foto 2. 
För alla dem som aldrig har varit intresserade av sådana klockor är det värt att kort förklara principen för deras funktion. Det finns inget inuti "atomanordningen" som liknar en klassisk mekanisk klocka. I Hoptroff nr. 10 det finns inga mekaniska delar som sådana. Istället är atomfickor utrustade med en förseglad kammare fylld med en radioaktiv gas, vars temperatur styrs av en speciell ugn. Exakt tidtagning sker enligt följande: lasrar exciterar atomerna i ett kemiskt element, som är ett slags "fyllmedel" av klockan, och resonatorn registrerar och mäter varje atomär övergång. Idag är grundelementet i sådana enheter cesium. Om vi minns SI-systemet av enheter, är värdet på en andra i det relaterat till antalet perioder av elektromagnetisk strålning under övergången av cesium-133-atomer från en energinivå till en annan.
Foto 3. 
Om i smartphones hjärtat av enheten anses vara ett processorchip, då i Hoptroff nr. 10 denna roll övertas av modulen för referenstidsgenerator. Det levereras av Symmetricom, och själva chippet var från början avsett för användning inom militärindustrin – i obemannade flygfarkoster.
CSAC-atomklockan är utrustad med en temperaturkontrollerad termostat, som innehåller en kammare som innehåller cesiumånga. Under påverkan av en laser på cesium-133-atomer börjar deras övergång från ett energitillstånd till ett annat, vilket mäts med hjälp av en mikrovågsresonator. Sedan 1967 har International System of Units (SI) definierat en sekund som 9 192 631 770 perioder av elektromagnetisk strålning som produceras under övergången mellan två hyperfina nivåer av grundtillståndet för en cesium-133-atom. Utifrån detta är det svårt att tänka sig en mer tekniskt noggrann cesiumbaserad klocka. Med tiden, med tanke på de senaste framstegen inom tidsmätning, kommer noggrannheten hos nya optiska klockor baserade på en aluminiumjon som pulserar med frekvensen av ultraviolett strålning (100 000 gånger högre än mikrovågsfrekvenserna för cesiumklockor) att vara hundratals gånger högre än atomkronometrars noggrannhet. Enkelt uttryckt har Hoptroffs nya Pocket Model No.10 ett löpfel på 0,0015 sekunder per år, vilket är 2,4 miljoner gånger bättre än COSC-standarder.
Foto 4. 
Den funktionella sidan av enheten är också på gränsen till fantasi. Med dess hjälp kan du ta reda på: tid, datum, veckodag, år, latitud och longitud i olika mängder, tryck, luftfuktighet, sideriska timmar och minuter, tidvattenprognos och många andra indikatorer. Klockan kommer i guld, och 3D-utskrift är planerad att användas för att skapa sitt fodral av den ädla metallen.
Richard Hoptrof tror uppriktigt att just det här alternativet för att producera hans idé är det mest att föredra. För att något ändra designkomponenten i strukturen kommer det inte att vara nödvändigt att bygga om produktionslinjen alls, utan att använda den funktionella flexibiliteten hos 3D-utskriftsenheten för detta. Det är dock värt att notera att prototypen av klockan som visas gjordes på klassiskt sätt.
Foto 5. 
Tiden är väldigt dyr nu för tiden, och Hoptroff No. 10 är en direkt bekräftelse på detta. Enligt preliminära uppgifter kommer den första satsen atomanordningar att vara 12 enheter, och vad gäller kostnaden kommer priset för 1 exemplar att vara 78 000 dollar.
Foto 6. 
Enligt Richard Hoptroff, vd för varumärket, spelade Hoptroffs plats i London en nyckelroll i uppkomsten av denna idé. "I våra kvartsrörelser använder vi ett oscillerande system med hög precision med en GPS-signal. Men i centrala London är det inte så lätt att fånga just denna signal. En dag, under en resa till Greenwich Observatory, såg jag en Hewlett Packard atomur där och bestämde mig för att köpa något liknande till mig själv via Internet. Och jag kunde inte. Istället kom jag över information om ett chip från Symmetricon och efter tre dagars funderande insåg jag att det skulle passa perfekt för ett fickur.”
Chipet i fråga är SA.45s cesium atomic clock (CSAC), en av den första generationen av miniatyr atomklockor för GPS-mottagare, ryggsäcksradio och obemannade fordon. Trots sina blygsamma mått (40 mm x 34,75 mm) är det fortfarande osannolikt att det passar i ett armbandsur. Därför beslutade Hoptroff att utrusta dem med en fickmodell av ganska respektabla dimensioner (82 mm i diameter).
Förutom att vara världens mest exakta klocka, gör Hoptroff No 10 (varumärkets tionde urverk) anspråk på att vara det första guldfodralet som gjorts med 3D-utskriftsteknik. Hoptroff kan ännu inte säga med säkerhet hur mycket guld som kommer att krävas för att göra fallet (arbetet med den första prototypen slutfördes när numret gick i tryck), men uppskattar att kostnaden kommer att vara "minst flera tusen pund." Och med tanke på mängden forskning som gick åt till att utveckla produkten (ta funktionen att beräkna ebb och flöde av tidvatten med hjälp av harmoniska konstanter för 3 000 olika portar), kan vi förvänta oss att dess slutliga återförsäljarpris kommer att bli cirka 50 000 pund.
Guldkropp av modell nr 10 som kommer ut ur 3D-skrivaren och i färdig form
Köpare blir automatiskt medlemmar i en exklusiv klubb och kommer att behöva underteckna ett skriftligt löfte om att inte använda atomklockan som ett vapen. "Detta är ett av villkoren i vårt kontrakt med leverantören", förklarar Hoptroff, "eftersom atomchippet ursprungligen användes i missilstyrningssystem." Inte mycket att betala för möjligheten att ha en klocka med oklanderlig noggrannhet.
De lyckliga ägarna av No.10 från Hoptroff kommer att ha mycket mer till sitt förfogande än bara en högprecisionsklocka. Modellen fungerar också som en ficknavigeringsenhet, vilket gör att man kan bestämma longitud med en noggrannhet på en sjömil, även efter många år till sjöss, med hjälp av en enkel sextant. Modellen kommer att få två urtavlor, men designen på en av dem hålls fortfarande hemlig. Den andra är en virvelvind av räknare som visar så många som 28 komplikationer: från alla möjliga kronometriska funktioner och kalenderindikatorer till en kompass, termometer, hygrometer (en enhet för att mäta luftfuktighetsnivåer), barometer, latitud- och longitudräknare och ett hög-/lågvatten indikator. Och detta är inte att nämna de vitala indikatorerna för tillståndet för atomtermostaten.
Hoptroff har planer på att producera ett antal nya produkter, inklusive en elektronisk version av George Daniels legendariska Space Traveler komplikationsklocka. Det arbetas för närvarande på att integrera Bluetooth-teknik i klockan för att lagra bärarens personliga information och möjliggöra automatisk justering av komplikationer som till exempel månfasindikatorn.
När lampan plötsligt slocknar och tänds igen lite senare, hur vet du vilken tid du ska ställa klockan? Ja, jag pratar om elektroniska klockor, som många av oss säkert har. Har du någonsin tänkt på hur tiden regleras? I den här artikeln kommer vi att lära oss allt om atomklockan och hur den får hela världen att ticka.
Atomklockor visar tiden bättre än någon annan klocka. De visar tiden bättre än jordens rotation och stjärnornas rörelse. Utan atomklockor skulle GPS-navigering vara omöjlig, inte synkroniseras, och planeternas positioner skulle inte vara kända med tillräcklig noggrannhet för rymdsonder och fordon.
Atomklockor är inte radioaktiva. De förlitar sig inte på atomklyvning. Dessutom har den en fjäder, precis som en vanlig klocka. Den största skillnaden mellan en standardklocka och en atomklocka är att svängningar i en atomklocka uppstår i en atoms kärna mellan elektronerna som omger den. Dessa svängningar är knappast parallella med balanshjulet på en slingrande klocka, men båda typerna av oscillationer kan användas för att spåra tidens gång. Frekvensen av vibrationer inom en atom bestäms av kärnans massa, gravitationen och den elektrostatiska "fjädern" mellan den positiva laddningen av kärnan och molnet av elektroner runt den.
Vilka typer av atomur känner vi till?
Idag finns det olika typer av atomur, men de är byggda på samma principer. Den största skillnaden hänför sig till elementet och sättet att upptäcka förändringar i energinivåer. De olika typerna av atomur inkluderar följande:
- Cesium atomklockor som använder strålar av cesiumatomer. Klockan separerar cesiumatomer med olika energinivåer med hjälp av ett magnetfält.
- En väteatomklocka håller väteatomer på rätt energinivå i en behållare vars väggar är gjorda av ett speciellt material så att atomerna inte förlorar sitt högenergitillstånd för snabbt.
- Rubidium atomklockor, de enklaste och mest kompakta av alla, använder en glascell som innehåller rubidiumgas.
De mest exakta atomklockorna använder idag en cesiumatom och ett konventionellt magnetfält med detektorer. Dessutom innesluts cesiumatomerna av laserstrålarna, vilket minskar små frekvensförändringar på grund av Dopplereffekten.
Hur fungerar cesiumbaserade atomur?
Atomer har en karakteristisk vibrationsfrekvens. Ett välbekant exempel på frekvens är den orange glöden av natrium i bordssalt när det kastas in i en eld. En atom har många olika frekvenser, några i radioområdet, några i det synliga spektrumet och några däremellan. Cesium-133 väljs oftast för atomur.
För att få cesiumatomerna att resonera i en atomklocka måste en av övergångarna, eller resonansfrekvensen, mätas noggrant. Detta görs vanligtvis genom att låsa in en kristalloscillator i cesiumatomens fundamentala mikrovågsresonans. Denna signal ligger i mikrovågsområdet för radiofrekvensspektrumet och har samma frekvens som direktsända satellitsignaler. Ingenjörer vet hur man skapar utrustning för denna spektrumregion, i detalj.
För att skapa en klocka värms först cesium så att atomerna förångas och passerar genom ett högvakuumrör. De passerar först genom ett magnetfält, som väljer ut atomer med önskat energitillstånd; de passerar sedan genom ett intensivt mikrovågsfält. Mikrovågsenergins frekvens hoppar fram och tillbaka i ett smalt frekvensområde så att den vid en viss punkt når en frekvens på 9 192 631 770 hertz (Hz, eller cykler per sekund). Mikrovågsoscillatorns räckvidd är redan nära denna frekvens eftersom den produceras av en exakt kristalloscillator. När en cesiumatom tar emot mikrovågsenergi av önskad frekvens ändrar den sitt energitillstånd.
I änden av röret separerar ett annat magnetfält atomer som har ändrat sitt energitillstånd om mikrovågsfältet hade rätt frekvens. Detektorn i änden av röret producerar en utsignal som är proportionell mot antalet cesiumatomer som träffar den, och toppar när mikrovågsfrekvensen är tillräckligt korrekt. Denna toppsignal behövs för korrigering för att bringa kristalloscillatorn, och därmed mikrovågsfältet, till önskad frekvens. Denna blockerade frekvens divideras sedan med 9 192 631 770 för att ge den välbekanta en puls per sekund som den verkliga världen behöver.
När uppfanns atomklockan?
1945 föreslog fysikprofessorn Isidor Rabi vid Columbia University en klocka som kunde tillverkas baserat på tekniker som utvecklades på 1930-talet. Det kallades magnetisk resonans för atomstråle. År 1949 tillkännagav National Bureau of Standards skapandet av världens första atomklocka baserad på ammoniakmolekylen, vars vibrationer avlästes, och 1952 skapade den världens första atomklocka baserad på cesiumatomer, NBS-1.
År 1955 byggde National Physical Laboratory i England den första klockan med en cesiumstråle som kalibreringskälla. Under det kommande decenniet skapades mer avancerade klockor. 1967, under den 13:e generalkonferensen om vikter och mått, bestämdes SI-sekunden baserat på vibrationer i cesiumatomen. I världens tidtagningssystem fanns det ingen mer exakt definition än så här. NBS-4, världens mest stabila cesiumklocka, färdigställdes 1968 och användes fram till 1990.
1999 började NBS, omdöpt till NIST, använda NIST-F1-klockan, som var exakt inom en sekund av 20 miljoner år. 
Hur mäts atomtid?
Den korrekta frekvensen för resonans för en cesiumpartikel idag bestäms av internationell överenskommelse till 9 192 631 770 hertz, så att dividera utsignalen med detta tal bör resultera i 1 Hz, eller 1 cykel per sekund.
Noggrannheten för tidsmätning är en miljon gånger större än den för astronomiska metoder. Idag tappar den en sekund var femte miljard år.
