Атомни часовници: точното време - ключът към напредъка

Атомните часовници са най-точните инструменти за измерване на времето, които съществуват днес и стават все по-важни с развитието и усъвършенстването на съвременните технологии.

Принцип на действие

Атомните часовници не отчитат точното време, дължащо се на радиоактивното разпадане, както подсказва името им, но използвайки вибрациите на ядрата и електроните около тях. Тяхната честота се определя от масата на ядрото, гравитацията и електростатичното "равновесие" между положително зареденото ядро ​​и електроните. Това не е изцяло съобразено с обичайния часовник. Атомните часовници са по-надеждни, тъй като техните колебания не се променят в зависимост от фактори на околната среда като влажност, температура или налягане.

Еволюция на атомния часовник

В продължение на много години учените осъзнаха, че атомите имат резонансни честоти, свързани с способността на всеки да абсорбира и излъчва електромагнитно излъчване. През 30-те и 1940-те години е разработено оборудване за високочестотни комуникации и радарни системи, което може да взаимодейства с резонансните честоти на атомите и молекулите. Това допринесе за идеята за часовника.

Първите копия са построени през 1949 г. от Националния институт за стандарти и технологии (NIST). Амонякът се използва като източник на вибрации. Въпреки това, те не бяха много по-точни от съществуващия стандарт за време, а в следващото поколение беше използван цезий.

Нов стандарт

Промяната в точността на измерването на времето се оказа толкова голяма, че през 1967 г. Генералната конференция по мерки и тежести определи втория SI като 9,192,631,770 осцилации на атом на цезий на своята резонансна честота. Това означаваше, че времето вече не е свързано с движението на Земята. Най-стабилните атомни часовници в света са създадени през 1968 г. и са използвани като част от референтната система за време NIST до 1990-те години.

Подобрения в автомобила

Един от най-новите постижения в тази област е лазерното охлаждане. Това подобри съотношението сигнал / шум и намали несигурността в сигнала на часовника. За да се приспособи тази охладителна система и друго оборудване, използвано за подобряване на цезиевите часовници, е необходимо пространство с размер на железопътна кола, въпреки че търговските опции могат да се поберат в куфар. Една такава лабораторна инсталация брои времето в Боулдър, Колорадо, и е най-точният часовник на Земята. Те са погрешни само за 2 наносекунди на ден или за 1 s за 1,4 милиона години.

Усъвършенствана технология

Такава огромна точност е резултат от сложен процес. Най-напред течен цезий се поставя в пещ и се нагрява, докато се превръща в газ. Метални атоми при висока скорост излизат през малка дупка в пещта. Електромагнитите ги разделят на отделни лъчи с различни енергии. Необходимата греда преминава през U-образна дупка, а атомите са изложени на микровълнова енергия с честота 9.192.631.770 Hz. Поради това те се вълнуват и преминават в друго енергийно състояние. След това магнитното поле филтрира други атомни енергийни състояния.

Детекторът реагира на цезий и показва максимум на правилната честота. Това е необходимо, за да се създаде кварцов осцилатор, който контролира механизма на часовника. Разделяйки своята честота на 9.192.631.770 и дава един импулс в секунда.

Не само цезий

Въпреки че най-често използваните атомни часовници използват свойствата на цезий, има и други видове. Те се различават по използвания елемент и средствата за определяне на промяната. енергийно ниво. Други материали са водород и рубидий. Атомните часовници на водород функционират като цезий, но изискват съд със стени, изработени от специален материал, който предотвратява прекалено бързото изпускане на енергия от атомите. Рубидиевите часовници са най-прости и компактни. В тях стъклената клетка, напълнена с рубидиев газ, променя абсорбцията на светлина, когато е изложена на ултра висока честота.

Кой се нуждае от точно време?

Днес времето може да се пресметне с изключителна прецизност, но защо това е важно? Това е необходимо в системи като мобилни телефони, интернет, GPS, авиационни програми и цифрова телевизия. На пръв поглед това не е очевидно.

Пример за това как се използва точното време е синхронизирането на пакети. Хиляди телефонни разговори минават през средната линия. Това е възможно само защото разговорът не се предава напълно. Телекомуникационната компания го разделя на малки пакети и дори прескача част от информацията. След това преминават през линията заедно с пакети от други разговори и на другия край се възстановяват без смесване. Системата на часовника на телефонната централа може да определи кои пакети принадлежат към този разговор, според точния час на изпращане на информацията.

GPS

Друго изпълнение на точното време е глобалната система за позициониране. Състои се от 24 спътника, които предават своите координати и време. Всеки GPS приемник може да се свърже с тях и да сравни времето за излъчване. Разликата позволява на потребителя да определи местоположението им. Ако този часовник не беше много точен, тогава GPS системата би била непрактична и ненадеждна.

Граница на съвършенство

С развитието на технологиите и атомните часовници, неточностите на Вселената станаха забележими. Земята се движи неравномерно, което води до случайни вариации в дължината на годините и дните. В миналото тези промени щяха да останат незабелязани, тъй като инструментите за измерване на времето бяха твърде неточни. Въпреки това, за голямото разочарование на изследователите и учените, времето на атомния часовник трябва да се коригира, за да компенсира аномалиите на реалния свят. Те са невероятни инструменти, които допринасят за напредъка на съвременните технологии, но тяхното съвършенство е ограничено от границите, определени от самата природа.