săgeată de timp Computerra modul de a construi un ceas atomic

Ce „ceasornicar“ inventat și perfecționat acest mecanism extrem de precis? Există un înlocuitor pentru el? Încearcă să înțelegi.

Care este principiul oscilatoare atomice? Ca sursă de frecvența de rezonanță a „dispozitivului“ este utilizat nivelul de energie cuantice de atomi sau molecule. Mecanica cuantică conectează cu „nucleul atomic - electronii“ mai multe nivele energetice discrete. Câmpul electromagnetic al unei anumite frecvențe ar putea declanșa tranziția sistemului de la un nivel scăzut la un nivel ridicat. Atomul fenomen invers se poate deplasa de la un nivel ridicat de energie la o radiație de energie mai mic. Și aceste și alte fenomene pot fi controlate pentru a capta și interlevel aceste energie supratensiunile, creând astfel o aparență a circuitului oscilant. Frecvența de rezonanță a acestui circuit va fi egală cu diferența de energie dintre cele două niveluri de tranziție, împărțit constanta lui Planck.

Acest rezultat oscilator atomic are avantaje incontestabile în ceea ce privește predecesorii lor mecanice și astronomice. Frecvența de rezonanță a atomilor selectat substanța oscilatorului va fi, în contrast cu pendulele și cristalele piezoelectrice, identice. În plus, atomii nu se învechesc și nu-și schimbă proprietățile lor în timp. Ideal pentru Cronometrul practic perpetuă și extrem de precise.

Posibilitatea de a folosi tranzițiile energetice la nivel de altele, în atomi ca un standard de frecvență înapoi în 1879 a considerat fizician britanic Uilyam Tomson, mai bine cunoscut sub numele de Lord Kelvin. Ca sursă de rezonatori atomi a propus utilizarea hidrogenului. Cu toate acestea, cercetările sale au fost mai teoretice. Știința în momentul în care nu a fost încă pregătită să dezvolte atomică Cronometrul.

A fost nevoie de aproape o sută de ani, la ideea de Lord Kelvin a găsit o expresie practică. Termen considerabil, dar, de asemenea, sarcina nu a fost ușor. atomii se transformă în pendule ideali în practică sa dovedit a fi mai dificilă decât în ​​teorie. Problema a fost lupta cu așa-numita lățime de rezonanță - de absorbție a energiei de vibrație de joasă frecvență și emisie în tranziția atomilor de la un nivel la altul. Raportul dintre frecvența de rezonanță a lățimii de rezonanță, și determină calitatea oscilatorului atomic. Evident, cu cât valoarea lățimii de rezonanță, cea mai mică calitatea pendulului atomic. Din păcate, este imposibil de a crește frecvența de rezonanță pentru a îmbunătăți calitatea. Este constantă pentru fiecare dintre atomii unei anumite substanțe. Dar puteți reduce lățimea de rezonanță prin creșterea timpului de observare pentru atomii.

Punct de vedere tehnic, acest lucru se poate face după cum urmează: Fie exterior, cum ar fi cuarțul, oscilatorul generează periodic radiație electromagnetică, forțând atomii donori substanță să sară peste nivelurile de energie. Când această sarcină tuner cronograf atomic este frecvența maximă a aproximarea oscilator cu cuarț la atomii de tranziție rezonant frecvență interlevel. Devine posibilă în cazul unei perioade suficient de lungă de observare a vibrațiilor atomice și a crea un feedback reglarea frecvenței de cuarț.

Cu toate acestea, în plus față de problema reducerii lățimii rezonanță în cronograful atomic, există multe alte probleme. Acesta este efectul Doppler - trecerea în frecvența de rezonanță din cauza mișcării atomilor, și ciocnirea reciprocă a atomilor, provocând tranzițiile energetice neplanificate, și chiar influența materiei întunecate de energie pătrunzând.

Prima încercare de punere în aplicare practică a ceasului atomic a fost făcută în anii treizeci ai secolului trecut, oamenii de stiinta de la Universitatea Columbia, sub conducerea viitorului laureat al Premiului Nobel Dr. Isadora Rabi. Deoarece substanța --sursă pendule atomilor Rabi propus utilizarea Cs Cesiu 133 izotop. Din păcate, activitatea de Rabi, foarte interesant de BNS, au fost întrerupte de al doilea război mondial.

După campionat absolvire de punere în aplicare cronograf atomice a trecut la angajat BNS Harold Lyons. oscilatorul său atomic folosind amoniac și a dat o eroare proporțională cu cele mai bune mostre de rezonatoare cu cuarț. In 1949, amoniac ceas atomic a fost demonstrat publicului. În ciuda preciziei destul de mediocru, care le-au pus în aplicare principiile de bază ale generațiilor viitoare de cronografe nucleare.

Rezultat prototip Lui Essenom cesiu ceasul atomic asigură o precizie de 1 x 10 -9. în timp ce are toată lățimea de rezonanță de 340 Hertz

Puțin mai târziu, profesor la Universitatea Harvard Norman Ramsey perfecționată idei Isadora Rabi, reducând impactul asupra preciziei de măsurare efectului Doppler. El a sugerat că, în loc de un puls RF lung care excită atomii utilizate două scurte trimise la umerii waveguide la o anumită distanță unul față de celălalt. Este posibil să se reducă drastic lățimea de rezonanță, și, de fapt, a făcut posibilă crearea oscilator atomic, un ordin de mărime superioară acuratețea strămoșilor lor de cuarț.

În anii cincizeci ai secolului trecut, pe baza schemei propuse de Norman Ramsey, Physical Laboratory National (Marea Britanie), co-lucrător Louis Essen a condus activitatea pe oscilatorul atomice pe baza propusă anterior de izotopi de cesiu Rabi 133 Cs. Cesiu a fost aleasă întâmplător.

niveluri Schema hiperfini de tranziție de cesiu-133 atomi de izotopi

Aparținând grupei de metale alcaline, atomii de cesiu condus extrem de simplu pentru a sări între nivelurile de energie. De exemplu, un fascicul de lumină este ușor capabilă să îndepărteze structura atomică de cesiu a fluxului de electroni. Este datorită acestei proprietăți, cesiu este utilizat pe scară largă ca parte a fotodetectori.

Aparatură de cesiu clasic oscilator pe bază de ghid de undă Ramsey

NBS 1 standard, prima frecvență oficială de cesiu

Descendentul NBS-1 - oscilator NIST-7 folosit un laser de pompare cu fascicul de atomi de cesiu

Essen la prototipul a devenit un standard reală, a durat mai mult de patru ani. După reglarea fină a ceasului atomic a fost posibilă numai prin comparație cu unitățile de timp pe efemeridelor existente. Pe parcursul celor patru ani de oscilator atomic este calibrat prin observarea rotație a Lunii în jurul Pământului cu un aparat de fotografiat lunar precis, inventat de un angajat al Naval Observatory Statele Unite ale Americii, William Markowitz.

ceas atomic „Fit“ de pe efemeridele lunar a fost realizat 1955-1958, după care dispozitivul a fost recunoscut oficial de BNS ca un standard de frecvență. În plus, precizia fără precedent a ceasului atomic cesiu spodvigla schimbare NBS în unitatea standard SI de măsurare a timpului. Din 1958, într-un al doilea oficial acceptat „durata de 9192631770 perioade ale radiației corespunzătoare tranziției între cele două niveluri hiperfine ale stării standard, izotopii atom de cesiu-133.“

Dispozitiv Lui Essena primit produsul NBS-1 și a fost considerat primul standard de frecvență cesiu.

tabel de comparare frecvență cesiu caracteristici standarde, BNS

frecvență standard fascicul Cesiu

standuri BNS sunt dispozitive fixe, care pot fi atribuite mai multe standarde lor decât să oscilatoare practic utilizate. Dar, în scopuri pur practice în beneficiul standardului de frecvență de cesiu a lucrat la Hewlett-Packard Company. În 1964, viitorul gigantul calculator a creat o versiune compactă a standardului de frecvență de cesiu - un dispozitiv HP 5060A.

Calibrată folosind standardele BNS, standardele de frecvență HP 5060 se potrivesc în tipic rack de echipamente radio și a avut un succes comercial. Aceasta se datorează frecvență standard de cesiu specificate în Hewlett-Packard, precizie fără precedent ceas atomic a mers la masele.

Ca rezultat, a făcut posibile lucruri, cum ar fi TV prin satelit și de comunicații, sisteme de navigație globală și rețelele de informații, serviciu de sincronizare de timp. Aplicații condus la proiectarea industrială a tehnologiei cronografului atomică a găsit mai multe. În Hewlett-Packard nu se oprește și de a îmbunătăți în mod constant calitatea standardelor de cesiu și greutatea lor și performanța generală.

Familia de ceasuri atomice Hewlett-Packard Company

Împreună cu cesiu, rezervele de care sunt limitate în natură, iar cererea pentru aceasta într-o varietate de domenii tehnologice este extrem de mare, în calitate de agenți ai donatorului folosit rubidiu, pe proprietăți foarte asemănătoare cu cesiu.

S-ar părea că sistemul existent de ceasuri atomice la perfecțiune. Între timp, ea a avut un dezavantaj nefericită a cărei eliminare a fost posibilă în a doua generație a standardelor de frecvență de cesiu, denumite fântâni de cesiu.

fântâni de timp și melasă optice

In ciuda cea mai mare precizie cronometrele atomic NIST-7, folosind laser, starea de detectare a atomilor de cesiu, nu este în mod fundamental diferite diagrame de circuit ale standardelor de frecvență cesiu primul exemplu de realizare.

Un defect structural al tuturor acestor scheme este că, pentru a controla viteza de propagare a fasciculului de atomi de cesiu, se deplasează în waveguide, este fundamental imposibil. Aceasta în ciuda faptului că viteza atomilor de cesiu, la temperatura camerei - o sută de metri pe secundă. Foarte repede.

Acesta este motivul pentru care toate standardele de modificări de cesiu - căutarea unui echilibru între dimensiunea waveguide are timp pentru a lucra la atomii de cesiu rapid la două puncte, iar precizia de detecție a rezultatelor acestui impact. Waveguide mai mici, mai greu de timp pentru a face impulsuri electromagnetice succesive care acționează asupra acelorași atomi.

Și ce dacă găsiți o modalitate de a reduce viteza de deplasare a atomilor de cesiu? Este acest gând elev deranjat Masachussetskogo Institutul de Tehnologie Jerold Zacharias. a studiat la sfârșitul anilor patruzeci de ani ai secolului trecut influența gravitației asupra comportamentului atomilor. Mai târziu, atrași de dezvoltarea de variante Atomichron frecvență standard de cesiu. Zaharia a sugerat ideea unei fântâni de cesiu - o metodă care permite reducerea vitezei de deplasare a atomilor de cesiu la un centimetru pe secundă și a scăpa de dvuhkolennogo oscilatoare atomice tradiționale waveguide.

Zaharia a fost o idee simplă. Ce se întâmplă dacă se execută atomii de cesiu pe verticală în interiorul oscilator? Apoi, aceiași atomi vor trece prin detectorul de două ori: o dată atunci când călătoresc în sus, iar al doilea - în jos, în cazul în care se grăbesc prin gravitație. Mișcarea atomilor este în jos mult mai incet decola, pentru că în timpul călătoriei în fântână ei podrasteryal energie. Din păcate, în anii cincizeci ai secolului trecut pentru a realiza ideile lor Zaharia nu s-a putut. În configurări sale experimentale atomi deplasa în sus a interacționat cu care se încadrează în jos, care a forțat în jos precizia de detecție.

Ideea lui Zaharia a revenit abia în anii optzeci. Oamenii de stiinta de la Universitatea Stanford, sub conducerea lui Steven Chu a găsit o modalitate de a pune în aplicare Zaharia fântână folosind o metodă au numit „melasă optice“.

De cesiu fântână Chu nor atomii de cesiu șutează în sus, este prerăcit printr-un sistem de trei perechi de lasere care se confruntă cu oppositely o frecvență de rezonanță ușor sub atomii de cesiu optici de rezonanță.

melasa optice Schema de cesiu fântână.

Refrigerați atomi lasere cesiu începe să se miște încet, ca și în cazul în care prin melasă. Viteza lor scade la trei metri pe secundă. Reducerea vitezei atomilor ofera cercetatorilor posibilitatea de a rafina starea de detectare (a se vedea, mult mai ușor pentru a vedea plăcuța de înmatriculare, se deplasează cu o viteză de un kilometru pe oră decât mașină se deplasează la o viteză de o sută de kilometri pe oră).

Balloon atomii de cesiu refrigerați început aproximativ un metru, drumul care trece prin waveguide, prin care atomii de a afecta câmpul electromagnetic al frecvenței de rezonanță. Iar sistemul detector detectează o schimbare de stare a atomilor pentru prima dată. Atingerea „plafonul“ răcit atomii începe să scadă datorită gravitației și a testat un waveguide pentru a doua oară. Pe drumul de intoarcere din nou detector surprinde starea lor. Deoarece atomii se mișcă foarte încet, zborul lor într-un nor dens suficient de ușor de controlat și, prin urmare, nu va fi, în fântână în timp ce zboară în sus și în jos atomi.

De fapt, NIST-F1 a fost atins în starea de eroare de măsurare a atomilor de cesiu. Dar oamenii de știință de pe această victorie nu s-au oprit. Ei au decis să elimine eroarea, ceea ce face ca activitatea atomic radiație ceas corpuluinegru - rezultatul interacțiunii dintre atomii de cesiu, cu o unitate de carcasă radiație termică, în care se mișcă. Noul cronograf atomic fantana NIST-F2 cesiu a fost plasată într-o cameră criogenică, reducând radiația corpuluinegru la aproape zero. Precizie NIST-F2 este o valoare incredibila de 3 * 10 -17.

Grafic reduce eroarea de cesiu Standarde de frecvență întruchiparea

În prezent, partea atomică bazată pe izvoarele de cesiu da omenirii o referință de timp precis, în raport cu care bate pulsul civilizației noastre tehnologice. Prin contrivances inginerie pulsate masers de hidrogen, care este răcit atomii de cesiu în variantele staționare NIST-F1 și NIST-F2, au fost înlocuite cu un fascicul laser convențional care lucrează împreună cu un sistem magneto-optic. Este posibil să se creeze un standard compact și extrem de rezistent la versiuni externe influențează NIST-Fx, capabil să lucreze în vehiculele spațiale. Mai degrabă figurat numit „Aerospace rece Ceas Atom“, frecvența acestor standarde stabilite în sistemele de navigație prin satelit, cum ar fi GPS, care asigură sincronizarea lor incredibil pentru a rezolva problema foarte precis calcula coordonatele receptorului GPS utilizat în gadgeturile noastre.

Versiunea compactă de ceasuri atomice bazate pe fantana de cesiu numit „Aerospace rece Atom cu ceas“, este utilizat în sateliții GPS

calcularea timpului de referință se realizează „ansamblu“ de zece NIST-F2, situate în diferite centre de cercetare care lucrează cu BNS. Valoarea exactă a unui al doilea atomic obținut în mod colectiv, și astfel sunt eliminate diverse erori, iar factorul uman.

Cu toate acestea, este posibil ca odată ce standardul de frecvență de cesiu va fi percepută de către urmașii noștri ca un mecanism de măsurare foarte dur de timp, la fel ca și astăzi ne uităm îngăduință privind mișcarea pendulului în podea ceas mecanic al strămoșilor noștri.

A se vedea, de asemenea: Istoria cronometrie. Cum sa faci un ceas care nu se va abate? În timpul vechi au crezut de mișcarea corpurilor cerești, și apoi să vină cu un sistem de pendule, dar ele nu sunt perfecte.