Zegary atomowe: dokładny czas - klucz do postępu

Zegary atomowe są najdokładniejszymi instrumentami pomiaru czasu, które istnieją dzisiaj i stają się coraz ważniejsze wraz z rozwojem i zaawansowaniem nowoczesnych technologii.

Zasada działania

Zegary atomowe nie liczą dokładnego czasu z powodu rozpadu radioaktywnego, jak sugeruje ich nazwa, ale używają wibracji jąder i otaczających je elektronów. Ich częstotliwość jest określona przez masę jądra, grawitację i elektrostatyczną "równowagę" między dodatnio naładowanym jądrem i elektronami. Nie jest to całkowicie spójne ze zwykłym mechanizmem zegarowym. Zegary atomowe są bardziej niezawodne, ponieważ ich fluktuacje nie zmieniają się w zależności od czynników środowiskowych, takich jak wilgotność, temperatura czy ciśnienie.

Ewolucja zegara atomowego

Przez wiele lat naukowcy zdawali sobie sprawę, że atomy mają rezonansowe częstotliwości związane ze zdolnością każdego do absorbowania i emitowania promieniowania elektromagnetycznego. W latach 30. i 40. XX wieku opracowano sprzęt do komunikacji wysokiej częstotliwości i systemów radarowych, który może wchodzić w interakcje z częstotliwościami rezonansowymi atomów i cząsteczek. Przyczyniło się to do idei zegarka.

Pierwsze egzemplarze zostały zbudowane w 1949 roku przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST). Amoniak był używany jako źródło wibracji. Jednak nie były one o wiele bardziej dokładne niż obecny standard czasowy, aw cezji następnej generacji.

Nowy standard

Zmiana dokładności pomiaru czasu okazała się tak duża, że ​​w 1967 r. Generalna Konferencja Miar i Wag definiowała drugą SI jako 9 192 613 770 oscylacji atomu cezu przy jego częstotliwości rezonansowej. Oznaczało to, że czas nie był już związany z ruchem Ziemi. Najbardziej stabilne zegary atomowe na świecie powstały w 1968 roku i były wykorzystywane jako część systemu odniesienia czasu NIST do lat 90. XX wieku.

Ulepszenia samochodów

Jednym z najnowszych osiągnięć w tej dziedzinie jest chłodzenie laserem. Poprawiło to stosunek sygnału do szumu i zmniejszyło niepewność sygnału zegara. Aby pomieścić ten układ chłodzenia i inny sprzęt służący do ulepszania zegarów cezowych, wymagana jest przestrzeń wielkości wagonu kolejowego, chociaż komercyjne opcje mieszczą się w walizce. Jedna z takich konfiguracji laboratoryjnych liczy się w Boulder w stanie Kolorado i jest najdokładniejszym zegarem na Ziemi. Mylą się tylko przez 2 nanosekundy dziennie lub przez 1 s przez 1,4 miliona lat.

Zaawansowana technologia

Tak ogromna dokładność jest wynikiem złożonego procesu. Przede wszystkim płynny cez umieszcza się w piecu i ogrzewa, aż zamieni się w gaz. Atomy metalu z dużą prędkością wychodzą przez mały otwór w piecu. Elektromagnesy dzielą je na osobne wiązki o różnych energiach. Wymagana wiązka przechodzi przez otwór w kształcie litery U, a atomy są wystawione na działanie energii mikrofalowej o częstotliwości 9.192.631.770 Hz. Z tego powodu są podekscytowani i przenoszą się do innego stanu energetycznego. Następnie pole magnetyczne odfiltrowuje inne stany energii atomowej.

Detektor reaguje na cez i pokazuje maksimum z właściwą częstotliwością. Jest to konieczne do ustawienia oscylatora kwarcowego, który steruje mechanizmem taktowania. Dzieląc jego częstotliwość przez 9.192.631.770 i daje jeden impuls na sekundę.

Nie tylko cezu

Chociaż najczęstsze zegary atomowe wykorzystują właściwości cezu, istnieją inne ich rodzaje. Różnią się one zastosowanym elementem i sposobem określania zmiany. poziom energii. Inne materiały to wodór i rubid. Zegary atomowe na wodorze działają jak cez, ale wymagają naczynia ze ścianami wykonanymi ze specjalnego materiału, który zapobiega zbyt szybkiemu zużyciu energii przez atomy. Zegary Rubidium są najbardziej proste i kompaktowe. W nich komórka szklana wypełniona gazem rubidowym zmienia absorpcję światła po wystawieniu na działanie ultra wysokiej częstotliwości.

Kto potrzebuje dokładnego czasu?

Dzisiaj czas można policzyć z niezwykłą precyzją, ale dlaczego to jest ważne? Jest to konieczne w systemach takich jak telefony komórkowe, Internet, GPS, programy lotnicze i telewizja cyfrowa. Na pierwszy rzut oka nie jest to oczywiste.

Przykładem dokładnego czasu jest synchronizacja pakietów. Tysiące połączeń telefonicznych przebiega przez środkową linię. Jest to możliwe tylko dlatego, że rozmowa nie jest całkowicie przekazywana. Firma telekomunikacyjna dzieli go na małe pakiety, a nawet pomija niektóre z nich. Następnie przechodzą przez linię wraz z pakietami innych rozmów, a na drugim końcu są przywracane bez mieszania. System taktowania centrali telefonicznej może określić, które pakiety należą do danego połączenia, zgodnie z dokładnym czasem wysłania informacji.

GPS

Kolejną implementacją dokładnego czasu jest globalny system pozycjonowania. Składa się z 24 satelitów, które przekazują swoje współrzędne i czas. Każdy odbiornik GPS może się z nimi połączyć i porównać czas transmisji. Różnica pozwala użytkownikowi określić swoją lokalizację. Jeśli ten zegarek nie byłby bardzo dokładny, system GPS byłby niepraktyczny i niewiarygodny.

Limit perfekcji

Wraz z rozwojem technologii i zegarów atomowych zauważalne są niedokładności Wszechświata. Ziemia porusza się nierównomiernie, co prowadzi do losowych zmian długości lat i dni. W przeszłości zmiany te pozostałyby niezauważone, ponieważ narzędzia do pomiaru czasu były zbyt nieprecyzyjne. Jednakże, ku wielkiemu rozczarowaniu badaczy i naukowców, czas zegara atomowego musi zostać dostosowany, aby zrekompensować anomalie realnego świata. Są niesamowitymi narzędziami, które przyczyniają się do rozwoju nowoczesnych technologii, ale ich doskonałość jest ograniczona przez ograniczenia wyznaczone przez samą naturę.