Прво, човештвото користи часовници како средство за контрола на времето на програмата.
Второ, денес мерењето на времето е најточниот тип на мерење од сите: точноста на мерењето на времето сега се одредува со неверојатна грешка од редот од 1·10-11%, или 1 с за 300 илјади години.
И постигнавме таква точност модерни луѓекога почнале да користат атоми, кои како резултат на нивните осцилации се регулатор на атомскиот часовник. Атомите на цезиум се во две енергетски состојби кои ни се потребни (+) и (-). Електромагнетното зрачење со фреквенција од 9.192.631.770 херци се создава кога атомите се менуваат од (+) состојба во (-) состојба, создавајќи прецизен, постојан периодичен процес - регулатор на кодот на атомскиот часовник.
Со цел да се атомски часовникако се работи прецизно, цезиумот мора да се испари во печка, како резултат на овој процес неговите атоми се ослободуваат. Зад рерната има магнет за сортирање кој има пропусната моќатомите во (+) состојба, а во него, поради зрачење во микробрано поле, атомите преминуваат во состојба (-). Вториот магнет ги насочува атомите кои ја промениле состојбата (+) во (-) во уредот што прима. Многу атоми кои ја промениле својата состојба се добиваат само ако фреквенцијата на емитерот на микробрановата точно се совпаѓа со фреквенцијата на вибрации на цезиум од 9.192.631.770 херци. Во спротивно, бројот на атоми (-) во приемниот уред се намалува.
Уредите постојано ја следат и регулираат константната фреквенција од 9.192.631.770 херци. Ова значи дека сонот на дизајнерите на часовници се оствари, пронајден е апсолутно постојан периодичен процес: фреквенција од 9.192.631.770 херци, што го регулира текот на атомските часовници.
Денес, како резултат на меѓународниот договор, секунда се дефинира како период на зрачење помножен со 9.192.631.770, што одговара на преминот помеѓу две хиперфини структурни нивоа на основната состојба на атомот на цезиум (изотоп цезиум-133).
За да го измерите прецизното време, можете да користите и вибрации на други атоми и молекули, како што се атоми на калциум, рубидиум, цезиум, стронциум, молекули на водород, јод, метан итн. Сепак, зрачењето на атомот на цезиум се препознава како фреквенција стандарден. Со цел да се споредат вибрациите на различни атоми со стандарден (цезиум), создаден е ласер од титаниум-сафир кој генерира широк опсег на фреквенции во опсег од 400 до 1000 nm.
Првиот креатор на кварцни и атомски часовници бил англиски експериментален физичар Есен Луис (1908-1997). Во 1955 година, тој го создаде првиот стандард за атомска фреквенција (време) користејќи зрак од атоми на цезиум. Како резултат на оваа работа, 3 години подоцна (1958) се појави временска услуга заснована на стандардот за атомска фреквенција.
Во СССР, академик Николај Генадиевич Басов ги изнесе своите идеи за создавање атомски часовник.
Значи, атомски часовник,еден од точни типовичасовник - уред за мерење на времето, каде што се користи нишало природни вибрацииатоми или молекули. Стабилноста на атомските часовници е најдобра меѓу сите постоечки типовичасовници, што е клучот за најголема точност. Атомскиот генератор на часовник произведува повеќе од 32.768 импулси во секунда, за разлика од конвенционалните часовници. Атомските вибрации не зависат од температурата на воздухот, вибрациите, влажноста и многу други надворешни фактори.
ВО модерен светКога едноставно не можете без навигација, атомските часовници станаа незаменливи асистенти. Тие се способни автоматски да ја одредуваат локацијата на вселенски брод, сателит, балистичка ракета, авион, подморница, автомобил преку сателитски комуникации.
Така, во последните 50 години, атомските часовници или поточно цезиумските часовници се сметаат за најточни. Долго време ги користат временските сервиси, а временски сигнали емитуваат и некои радио станици.
Уредот за атомски часовник вклучува 3 дела: 
квантен дискриминатор,
кварцен осцилатор,
комплекс за електроника.
Кварцниот осцилатор генерира фреквенција (5 или 10 MHz). Осцилаторот е RC радио генератор, кој користи пиезоелектрични режими на кварцен кристал како резонантен елемент, каде што се споредуваат атомите кои ја промениле состојбата (+) во (-).За да се зголеми стабилноста, неговата фреквенција постојано се споредува со осцилациите на квантен дискриминатор (атоми или молекули) . Кога ќе се појави разлика во осцилацијата, електрониката ја прилагодува фреквенцијата на кварцниот осцилатор на нула, а со тоа ја зголемува стабилноста и точноста на часовникот до посакуваното ниво.
Во современиот свет, атомските часовници можат да се произведуваат во која било земја во светот за употреба Секојдневниот живот. Тие се многу мали по големина и убави. Големината на најновиот нов атомски часовник не е повеќе од кутија за кибрити нивната мала потрошувачка на енергија - помала од 1 Watt. И ова не е граница, можеби во иднина технички напредокќе стигне до мобилните телефони. Во меѓувреме, компактни атомски часовници се инсталирани само на стратешки ракети за да се зголеми прецизноста на навигацијата многукратно.
Денес, машки и женски атомски часовници за секој вкус и буџет може да се купат во онлајн продавниците.
Во 2011 година, најмалиот атомски часовник во светот беше создаден од специјалисти од Symmetricom и Sandia National Laboratories. Овој часовник е 100 пати покомпактен од претходните комерцијално достапни верзии. Големината на атомскиот хронометар не е поголема од кутијата за кибрит. За да работи, потребни му се само 100 mW моќност - ова е 100 пати помалку во споредба со неговите претходници.
Беше можно да се намали големината на часовникот со инсталирање наместо пружини и запчаници механизам што работи на принципот на одредување на фреквенцијата електромагнетни бранови, емитирана од атоми на цезиум под влијание на ласерски зрак со незначителна моќност.
Таквите часовници се користат во навигацијата, како и во работата на рударите, нуркачите, каде што е неопходно точно да се синхронизира времето со колегите на површината, како и прецизни временски услуги, бидејќи грешката на атомските часовници е помала од 0,000001 фракции од секунда дневно. Цената на рекордниот мал атомски часовник Симетриком беше околу 1.500 долари.
Во 21 век, сателитската навигација се развива со брзо темпо. Можете да ја одредите позицијата на сите предмети што се некако поврзани со сателити, било да е тоа мобилен телефон, автомобил или вселенски брод. Но, ништо од ова не може да се постигне без атомски часовници.
Овие часовници се користат и во различни телекомуникации, како што се мобилните комуникации. Ова е најточниот часовник што некогаш бил, е и ќе биде.Без нив интернетот немаше да биде синхронизиран, немаше да ја знаеме растојанието до другите планети и ѕвезди итн.
За часови се земаат 9.192.631.770 периоди во секунда електромагнетно зрачење, кој настанал за време на транзицијата помеѓу две енергетски нивоа на атомот на цезиум-133. Таквите часовници се нарекуваат цезиумски часовници. Но, ова е само еден од трите типа атомски часовници. Има и часовници со водород и рубидиум. Сепак, најчесто се користат цезиумски часовници, па затоа нема да се задржуваме на други типови.
Принцип на работа на атомски часовник на цезиум
Ласерот ги загрева атомите на изотопот на цезиум и во тоа време, вградениот резонатор ги регистрира сите транзиции на атомите. И, како што беше споменато претходно, по достигнувањето на 9.192.631.770 транзиции, се брои една секунда.
Ласерот вграден во куќиштето на часовникот ги загрева атомите на изотопот на цезиум. Во тоа време, резонаторот го снима бројот на транзиции на атомите на ново енергетско ниво. Кога ќе се достигне одредена фреквенција, имено 9,192,631,770 транзиции (Hz), втората се брои врз основа на меѓународниот SI систем.
Користете во сателитска навигација
Процес на дефиниција точната локацијаИдентификувањето на еден или друг објект со помош на сателит е многу тешко. Во ова се вклучени неколку сателити, имено повеќе од 4 по приемник (на пример, GPS навигатор во автомобил).
Секој сателит содржи високопрецизен атомски часовник, сателитски радио предавател и генератор на дигитални кодови. Радио предавателот испраќа дигитален код и информации за сателитот на Земјата, имено орбитални параметри, модел итн.
Часовникот одредува колку време е потребно овој код да стигне до приемникот. Така, знаејќи ја брзината на ширење на радио брановите, се пресметува растојанието до приемникот на Земјата. Но, еден сателит не е доволен за ова. Современите GPS приемници можат да примаат сигнали од 12 сателити истовремено, што ви овозможува да ја одредите локацијата на објектот со точност до 4 метри. Патем, вреди да се напомене дека GPS навигаторите не бараат претплата.
Архивски написиКои „часовници“ ги смислија и го подобрија ова исклучително прецизен механизам? Дали има замена за него? Ајде да се обидеме да го сфатиме.
Во 2012 година, атомското мерење на времето ќе ја прослави својата четириесет и петта годишнина. Во 1967 година, категоријата на време во Меѓународниот систем на единици почна да се одредува не со астрономски скали, туку со стандардот за фреквенција на цезиум. Ова е она што обичните луѓе го нарекуваат атомски часовник.
Кој е принципот на работа на атомските осцилатори? Овие „уреди“ користат нивоа на квантна енергија на атоми или молекули како извор на резонантна фреквенција. Квантна механикасе поврзува со системот атомско јадро- електрони" неколку дискретни енергетски нивоа. Електромагнетно поле со одредена фреквенција може да предизвика премин на овој систем од ниско нивона повисоко. Можен е и спротивен феномен: атомот може да се движи од високо енергетско ниво на пониско со емитување енергија. И двата феномени може да се контролираат и овие енергетски скокови меѓу нивоата може да се снимат, со што се создава сличност осцилаторно коло. Резонантната фреквенција на ова коло ќе биде еднаква на енергетската разлика помеѓу двете преодни нивоа поделена со Планковата константа.
Добиениот атомски осцилатор има несомнени предности во однос на неговите астрономски и механички претходници. Резонантната фреквенција на сите атоми на супстанцијата избрана за осцилаторот ќе биде, за разлика од нишалата и пиезокристалите, иста. Покрај тоа, атомите не се истрошија и не ги менуваат своите својства со текот на времето. Совршена опцијаза практично вечен и исклучително прецизен хронометар.
За прв пат, можноста за користење на енергетски транзиции меѓу нивоата во атомите како стандард за фреквенција беше разгледана уште во 1879 година од британскиот физичар Вилијам Томсон, попознат како Лорд Келвин. Тој предложи да се користи водород како извор на атоми на резонатор. Сепак, неговото истражување беше поверојатно теоретска природа. Науката во тоа време сè уште не беше подготвена да развие атомски хронометар.
Беа потребни речиси сто години за да се оствари идејата на Лорд Келвин. Беше долго време, но задачата не беше лесна. Трансформирањето на атомите во идеални нишала се покажа како потешко во пракса отколку во теорија. Тешкотијата лежи во битката со таканаречената резонантна ширина - мала флуктуација во фреквенцијата на апсорпција и емисија на енергија додека атомите се движат од ниво до ниво. Односот на резонантната фреквенција до резонантната ширина го одредува квалитетот на атомскиот осцилатор. Очигледно, што поголема вреднострезонантна ширина, толку е помал квалитетот атомско нишало. За жал, зголемување резонантна фреквенцијада се подобри квалитетот не е можно. Таа е константна за атомите на секоја специфична супстанција. Но, резонантната ширина може да се намали со зголемување на времето на набљудување на атомите.
Технички, ова може да се постигне на следниов начин: нека надворешен, на пример, кварц, осцилатор периодично генерира електромагнетно зрачење, предизвикувајќи атомите на супстанцијата донор да скокаат преку енергетските нивоа. Во овој случај, задачата на тјунерот за атомски хронограф е да ја приближи фреквенцијата на овој кварцен осцилатор што е можно поблиску до резонантната фреквенција на транзицијата меѓу нивоата на атомите. Ова станува возможно ако има доволно долг периоднабљудување на вибрациите на атомите и создавање повратни информации, регулирајќи ја фреквенцијата на кварцот.
Точно, покрај проблемот со намалувањето на ширината на резонантната во атомски хронограф, има и многу други проблеми. Ова е Доплеров ефект - поместување на резонантната фреквенција поради движењето на атомите и меѓусебните судири на атомите, предизвикувајќи непланирани енергетски транзиции, па дури и влијанието на продорната енергија на темната материја.
Прв пат пробајте практична имплементацијаатомскиот часовник беше преземен во триесеттите години на минатиот век од страна на научниците од Универзитетот Колумбија под водство на иднината Нобеловецд-р Исидор Раби. Раби предложи користење на изотоп на цезиум 133 Cs како извор на атоми на нишалото. За жал, работата на Раби, која многу го интересираше NBS, беше прекината од Втората светска војна.
По неговото завршување, водството во имплементацијата на атомскиот хронограф премина на вработениот во NBS, Харолд Лајонс. Неговиот атомски осцилатор работеше на амонијак и даде грешка пропорционална со најдобри примерикварцни резонатори. Во 1949 година, атомскиот часовник на амонијак и беше демонстриран на пошироката јавност. И покрај прилично просечната точност, тие ги имплементираа основните принципи на идните генерации на атомски хронографи.
Прототипот на атомски часовник на цезиум добиен од Луис Есен обезбеди точност од 1 * 10 -9, додека има ширина на резонанца од само 340 Херци
Малку подоцна, професор Универзитетот ХарвардНорман Ремзи ги подобри идеите на Исидор Раби, намалувајќи го влијанието врз точноста на мерењата на Доплеровиот ефект. Тој предложи, наместо долги високофреквентни пулсни возбудливи атоми, да се користат два кратки испратени до краците на брановодот на одредено растојание едни од други. Ова овозможи нагло да се намали резонантната ширина и всушност овозможи да се создадат атомски осцилатори кои се по прецизност по редослед на големина супериорни во однос на нивните кварцни предци.
Во педесеттите години на минатиот век, врз основа на шемата предложена од Норман Ремзи, во Националната физичка лабораторија (Велика Британија), нејзиниот вработен Луис Есен работеше на атомски осцилатор базиран на изотопот на цезиум 133 Cs претходно предложен од Раби. Цезиумот не е случајно избран.
Шема на хиперфини нивоа на транзиција на атомите на изотопот на цезиум-133
Припадност на групата алкални металиАтомите на цезиум се исклучително лесно возбудени да скокаат помеѓу нивоата на енергија. На пример, зрак светлина лесно може да исфрли атомска структурапроток на цезиумски електрони. Поради ова својство, цезиумот е широко користен во фотодетекторите.
Дизајн на класичен цезиумски осцилатор базиран на брановидник Ремзи
Првиот официјален стандард за цезиумска фреквенција NBS-1
Потомок на NBS-1 - осцилаторот NIST-7 користел ласерско пумпање на зрак од атоми на цезиум
За прототипот на Есен да стане вистински стандард, требаше повеќе од четири години. На крајот на краиштата, прецизното прилагодување на атомските часовници беше можно само со споредба со постоечките ефемерни единици на време. Во текот на четири години, атомскиот осцилатор беше калибриран со набљудување на ротацијата на Месечината околу Земјата со помош на прецизна лунарна камера измислена од Вилијам Марковиц од американската поморска опсерваторија.
„Прилагодувањето“ на атомските часовници на лунарната ефемери беше спроведено од 1955 до 1958 година, по што уредот беше официјално признат од NBS како стандард за фреквенција. Покрај тоа, невидената точност на атомските часовници на цезиум го поттикна NBS да ја промени единицата време во стандардот SI. Од 1958 година, „времетраењето на 9.192.631.770 периоди на зрачење што одговара на транзицијата помеѓу две хиперфини нивоа“ е официјално усвоено како второ стандардна состојбаатом на изотоп цезиум-133".
Уредот на Луис Есен го доби името NBS-1 и се сметаше за првиот стандард за фреквенција на цезиум.
Во текот на следните триесет години, беа развиени шест модификации на NBS-1, од кои најновата, NIST-7, создадена во 1993 година со замена на магнети со ласерски стапици, обезбедува точност од 5 * 10 -15 со резонантна ширина од само шеесет - два херци.
Споредбена табела на карактеристики на цезиумските фреквентни стандарди што ги користи NBS
| Стандард за цезиумска фреквенција | Работно време | Времето служеше како официјален NPFS стандард | Ширина на резонанца | Должина на брановодот на микробранова печка | Вредност на грешка |
| НБС-1 | 1952-1962 | 1959-1960 | 300 Hz | 55 см | 1*10 -11 |
| НБС-2 | 1959-1965 | 1960-1963 | 110 Hz | 164 см | 8*10 -12 |
| НБС-3 | 1959-1970 | 1963-1970 | 48 Hz | 366 см | 5*10 -13 |
| НБС-4 | 1965-1990-ти | Бр | 130 Hz | 52,4 см | 3*10 -13 |
| НБС-5 | 1966-1974 | 1972-1974 | 45 Hz | 374 см | 2*10 -13 |
| НБС-6 | 1974-1993 | 1975-1993 | 26 Hz | 374 см | 8*10 -14 |
| НБС-7 | 1988-2001 | 1993-1998 | 62 Hz | 155 см | 5*10 -15 |
NBS уредите се стационарни држачи, што им овозможува да се класифицираат како стандардни наместо практично користени осцилатори. Но, за чисто практични цели, Хјулит-Пакард работеше во корист на стандардот за фреквенција на цезиум. Во 1964 година, идниот компјутерски гигант создаде компактна верзија на стандардот за фреквенција на цезиум - уредот HP 5060A.
Калибрирани со користење на стандардите NBS, стандардите за фреквенција HP 5060 се вклопуваат во типична радио решетка и имаа комерцијален успех. Благодарение на стандардот за фреквенција на цезиум, поставен од Хјулит-Пакард, невидената точност на атомските часовници стана широко распространета.
Hewlett-Packard 5060A.
Како резултат на тоа, такви работи како сателитска телевизија и комуникации станаа можни, глобални системиуслуги за навигација и синхронизација на време на информациски мрежи. Имаше многу апликации за индустријализираната технологија на атомски хронограф. Во исто време, Hewlett-Packard не застана тука и постојано го подобрува квалитетот на стандардите за цезиум и нивната тежина и димензии.
Семејство на атомски часовници Хјулит-Пакард
Во 2005 година, одделот за атомски часовник на Хјулит-Пакард беше продаден на Симетриком.
Заедно со цезиум, чии резерви во природата се многу ограничени, а побарувачката за него во различни технолошки областиекстремно голем, рубидиум, чии својства се многу блиску до цезиумот, се користел како донорска супстанција.
Се чини дека, постоечка шемаатомските часовници се доведени до совршенство. Во меѓувреме, имаше досаден недостаток, чија елиминација стана возможна во втората генерација на стандарди за цезиумска фреквенција, наречени цезиумски фонтани.
Фонтани на времето и оптичка меласа
И покрај највисока прецизностатомскиот хронометар NIST-7, кој користи ласерско откривање на состојбата на атомите на цезиум, неговото коло не е фундаментално различно од колата на првите верзии на стандардите за фреквенција на цезиум.
Дизајнерски недостаток на сите овие шеми е тоа што е фундаментално невозможно да се контролира брзината на ширење на зрак од атоми на цезиум кои се движат во брановоди. И ова и покрај фактот дека брзината на движење на атомите на цезиум на собна температура- сто метри во секунда. Многу брзо.
Затоа сите модификации на стандардите на цезиум се потрага по рамнотежа помеѓу големината на брановодот, кој има време да влијае на брзите атоми на цезиум во две точки, и точноста на откривање на резултатите од ова влијание. Колку е помал брановодот, толку е потешко да се направат последователни електромагнетни импулси кои влијаат на истите атоми.
Што ако најдеме начин да ја намалиме брзината на атомите на цезиум? Токму оваа мисла го преокупирала студентот од Масачусетс Институт за технологијаЏеролд Захариус, кој го проучувал влијанието на гравитацијата врз однесувањето на атомите во доцните четириесетти години на минатиот век. Подоцна, вклучен во развојот на варијанта на стандардот за цезиумска фреквенција Atomichron, Захариј ја предложи идејата за цезиумска фонтана - метод за намалување на брзината на атомите на цезиум на еден сантиметар во секунда и ослободување од брановодот со двојно оружје. на традиционалните атомски осцилатори.
Идејата на Захариј била едноставна. Што ако испукате атоми на цезиум вертикално во осцилатор? Тогаш истите атоми ќе поминат низ детекторот двапати: еднаш додека патуваат нагоре и повторно надолу, каде што ќе брзаат под влијание на гравитацијата. Во овој случај, движењето на атомите надолу ќе биде значително побавно од нивното полетување, бидејќи за време на нивното патување во фонтаната тие ќе изгубат енергија. За жал, во педесеттите години на минатиот век, Захариј не можел да ги реализира своите замисли. Во неговиот експериментални објектиатомите што се движат нагоре комуницирале со оние што паѓале надолу, што ја збунило точноста на откривањето.
Идејата за Захариј била вратена дури во осумдесеттите. Научниците од Универзитетот Стенфорд, предводени од Стивен Чу, најдоа начин да ја реализираат фонтаната Захариј користејќи метод што го нарекуваат „оптичка меласа“.
Во фонтаната Чу цезиум, облак од атоми на цезиум испукан нагоре е претходно ладен со систем од три пара ласери насочени кон контра, кои имаат резонантна фреквенција веднаш под оптичката резонанца на атомите на цезиум.
Шема на цезиумска фонтана со оптичка меласа.
Атомите на цезиум ладени со ласер почнуваат да се движат бавно, како низ меласа. Нивната брзина паѓа на три метриво секунда. Намалувањето на брзината на атомите им дава можност на истражувачите попрецизно да ги детектираат состојбите (мора да признаете дека е многу полесно да се видат регистарските таблички на автомобил што се движи со брзина од еден километар на час отколку автомобил што се движи со брзина од сто километри на час).
Топката од оладени атоми на цезиум е лансирана нагоре околу еден метар, поминувајќи низ брановодот по патот, низ кој атомите се изложени на електромагнетно поле со резонантна фреквенција. И детекторот на системот за прв пат ја евидентира промената на состојбата на атомите. Откако стигнаа до „таванот“, изладените атоми почнуваат да паѓаат поради гравитацијата и по втор пат минуваат низ брановодот. На враќање, детекторот повторно ја снима нивната состојба. Бидејќи атомите се движат исклучително бавно, нивниот лет во форма на прилично густ облак лесно се контролира, што значи дека во фонтаната нема да има атоми кои летаат нагоре и надолу во исто време.
Објектот за цезиумска фонтана на Чу беше усвоен од NBS како стандард за фреквенција во 1998 година и беше именуван NIST-F1. Неговата грешка беше 4 * 10 -16, што значи дека NIST-F1 беше попрецизен од неговиот претходник NIST-7.
Всушност, NIST-F1 ја достигна границата на точност во мерењето на состојбата на атомите на цезиум. Но, научниците не застанаа на оваа победа. Тие одлучија да ја елиминираат грешката што зрачењето на црното тело ја внесува во работата на атомските часовници - резултат на интеракцијата на атомите на цезиум со топлинското зрачење на телото на инсталацијата во која се движат. Новиот атомски хронограф NIST-F2 постави цезиумска фонтана во криогена комора, намалувајќи го зрачењето на црното тело на речиси нула. Грешката NIST-F2 е неверојатна 3*10 -17.
График на намалување на грешката на стандардните опции за цезиумска фреквенција
Во моментов, атомските часовници базирани на цезиумски фонтани му обезбедуваат на човештвото најточниот стандард на време, во однос на кој чука пулсот на нашата техногена цивилизација. Благодарение на инженерските трикови, импулсните водородни масери кои ги ладат атомите на цезиум во стационарни верзии на NIST-F1 и NIST-F2 беа заменети со конвенционален ласерски зрак кој работи во тандем со магнето-оптички систем. Ова овозможи да се создадат компактни и многу стабилни структури. надворешни влијанијаваријанти на NIST-Fx стандарди кои можат да работат вселенско летало. Сосема имагинативно наречени „Aerospace Cold Atom Clock“, овие стандарди за фреквенција се инсталирани во сателитите на навигациските системи како што е GPS, што обезбедува нивна неверојатна синхронизација за да се реши проблемот со многу прецизно пресметување на координатите на GPS приемниците што се користат во нашите гаџети.
Компактна верзија на атомскиот часовник со фонтана цезиум, наречена „Воздухопловен ладен атом часовник“, се користи во GPS сателитите
Пресметката на референтното време ја врши „ансамбл“ од десет NIST-F2 лоцирани во различни истражувачки центри, соработувајќи со NBS. Точна вредностатомска секунда се добива колективно, а со тоа се елиминираат различните грешки и влијанието на човечкиот фактор.
Сепак, можно е еден ден стандардот на цезиумската фреквенција да биде сфатен од нашите потомци како многу груб механизам за мерење на времето, исто како што сега снисходливо гледаме на движењата на нишалото во механичките дедо часовници на нашите предци.
Атомски часовник 27 јануари 2016 година
Родното место на првиот џебен часовник во светот со вграден стандард за атомско време нема да биде Швајцарија, па дури ни Јапонија. Идејата за нивното создавање потекнува од срцето на Велика Британија во лондонскиот бренд Hoptroff
Атомските часовници, или како што се нарекуваат и „квантни часовници“, се уред кој го мери времето користејќи природни вибрации поврзани со процесите што се случуваат на ниво на атоми или молекули. Ричард Хоптроф одлучил дека е време модерните господа кои се заинтересирани за ултра-технолошки уреди да си го сменат џебот механички часовнициза нешто поекстравагантно и извонредно, а воедно и во склад со модерните урбани трендови.
Така, јавноста беше прикажана елегантна на свој начин изгледџебен атомски часовник Hoptroff бр. 10, кој може да ја изненади модерната генерација, софистицирана со изобилство на гаџети, не само со својот ретро стил и фантастичната прецизност, туку и со својот животен век. Според програмерите, имајќи го овој часовник со вас, можете да останете најмногу точна личностза најмалку 5 милијарди години.
Што друго можете да дознаете интересно за нив...
Фотографија 2. 
За сите оние кои никогаш не биле заинтересирани за вакви часовници, вреди накратко да се објасни принципот на нивната работа. Во „атомскиот уред“ нема ништо што наликува на класичен механички часовник. Во Хоптроф бр. 10 нема механички делови како такви. Наместо тоа, џебните атомски часовници се опремени со запечатена комора исполнета со радиоактивен материјал. гасовита супстанција, чија температура се контролира со специјална печка. Прецизниот тајминг се случува на следниов начин: ласерите ги возбудуваат атомите хемиски елемент, кој е еден вид „филлер“ на часовникот, а резонаторот снима и мери секој атомска транзиција. Денес основен елементТакви уреди се цезиумот. Ако се потсетиме на системот на единици SI, тогаш во него вредноста на секундата е поврзана со бројот на периоди на електромагнетно зрачење за време на транзицијата на атомите на цезиум-133 од едно енергетско ниво на друго.
Фотографија 3. 
Ако во паметните телефони срцето на уредот се смета за процесорски чип, тогаш во Hoptroff бр. 10 оваа улогаго презема модулот за генерирање на референтно време. Го снабдува Симетриком, а самиот чип првично беше наменет за употреба во воената индустрија - во беспилотни летала.
Атомскиот часовник CSAC е опремен со термостат со контролирана температура, кој содржи комора која содржи цезиумска пареа. Под влијание на ласер на атомите на цезиум-133, започнува нивниот премин од една во друга енергетска состојба, што се мери со помош на микробранова резонатор. Од 1967 г Меѓународен системединиците (SI) ја дефинира една секунда како 9.192.631.770 периоди на електромагнетно зрачење што произлегуваат за време на транзицијата помеѓу две хиперфини нивоа на основната состојба на атомот на цезиум-133. Врз основа на ова, тешко е да се замисли технички попрецизен часовник базиран на цезиум. Со текот на времето, дадено најновите достигнувањаВо областа на мерењето на времето, точноста на новите оптички часовници базирани на алуминиумски јон кој пулсира со фреквенција на ултравиолетово зрачење (100.000 пати повисока од микробрановата фреквенција на цезиумските часовници) ќе биде стотици пати поголема од точноста на атомските хронометри. Едноставно кажано пристапен јазик, новиот џебен модел бр.10 на Hoptroff има грешка при трчање од 0,0015 секунди годишно, 2,4 милиони пати повеќе од COSC стандардите.
Фотографија 4. 
Функционалната страна на уредот е исто така на работ на фантазијата. Со негова помош можете да дознаете: време, датум, ден во неделата, година, географска ширина и должина во различни големини, притисок, влажност, ѕвезден часовники минути, прогноза на плима и многу други показатели. Часовникот доаѓа во злато, а куќиштето е изработено од благороден металПланирано е да се користи 3Д печатење.
Ричард Хоптроф искрено верува дека е така оваа опцијапроизводството на вашето замисла е најпосакувано. За малку да се промени дизајнерската компонента на структурата, нема да биде неопходно воопшто да се обнови производната линија, туку да се користи функционалната флексибилност на уредот за 3D печатење за ова. Сепак, вреди да се напомене дека прототипот на прикажаниот часовник е направен на класичен начин.
Фотографија 5. 
Времето е многу скапо овие денови, а Hoptroff No. 10 е директна потврда за ова. Според првичните информации, првата серија атомски уредиќе биде 12 единици, а што се однесува до трошокот, цената за 1 примерок ќе биде 78.000 долари.
Фотографија 6. 
Според Ричард Хоптроф, управен директор на брендот, резиденцијата на Хоптроф во Лондон одиграла улога клучна улогапри појавата на оваа идеја. „Во нашите кварцни движења користиме висока прецизност осцилаторен системсо GPS сигнал. Но, во центарот на Лондон не е толку лесно да се фати токму овој сигнал. Еден ден за време на патување во Опсерваторијата ГриничТаму го видов атомскиот часовник Хјулит Пакард и решив да си купам нешто слично преку Интернет. И не можев. Наместо тоа, наидов на информации за чип од Symmetricon и по три дена размислување сфатив дека тој ќе биде совршен за џебен часовник“.
Чипот за кој зборуваме ние зборуваме за, е SA.45s Cesium Atomic Clock (CSAC), еден од првата генерација на минијатурни атомски часовници за GPS приемници, ранци ранци и беспилотни возила. И покрај неговите скромни димензии (40 mm x 34,75 mm), сепак е малку веројатно да се вклопи во рачен часовник. Затоа, Хоптроф реши да ги опреми со џебен модел со прилично респектабилни димензии (со дијаметар од 82 мм).
Покрај тоа што е најмногу точен часовникво светот, Hoptroff No 10 (десеттото движење на брендот) исто така тврди дека е првото златно куќиште направено со технологија за 3D печатење. Хоптроф сè уште не може со сигурност да каже колку злато ќе биде потребно за да се изработи куќиштето (работата на првиот прототип беше завршена кога прашањето излезе во пресрет), но проценува дека неговата цена ќе биде „најмалку неколку илјади фунти“. И со оглед на целиот тој волумен научно истражување, потребен за развој на производот (земи ја, на пример, функцијата за пресметување на одливот и протокот на плимата и осеката користејќи хармонични константи за 3 илјади различни пристаништа), можеме да очекуваме неговата крајна малопродажна цена да биде околу 50 илјади фунти стерлинг.
Златно тело на моделот бр. 10 како што излегува од 3D печатачот и во готова форма
Купувачите автоматски стануваат членови на ексклузивен клуб и од нив ќе се бара да потпишат писмено ветување дека нема да го користат чипот со атомски часовник како оружје. „Ова е еден од условите на нашиот договор со добавувачот“, објаснува г-дин Хоптроф, „бидејќи атомскиот чип првично се користел во системите за наведување ракети“. Нема многу да се плати за можноста да имате часовник со беспрекорна прецизност.
Среќните сопственици на бр.10 од Хоптроф ќе имаат на располагање многу повеќе од само високопрецизен часовник. Моделот функционира и како џебен уред за навигација, што овозможува да се одреди географската должина со точност од една наутичка милја, дури и по многу години на море, користејќи едноставен секстант. Моделот ќе добие два бројачи, но дизајнот на еден од нив се уште се чува во тајност. Другиот е виор од бројачи кои прикажуваат дури 28 компликации: од сите можни хронометриски функции и календарски индикатори до компас, термометар, хигрометар (уред за мерење на нивоата на влажност), бројачи на барометар, географска ширина и должина и висока/ниска плима. индикатор. И ова да не ги спомнуваме виталните показатели за состојбата на атомскиот термостат.
Hoptroff има планови за производство на голем број нови производи, вклучувајќи електронска верзијаЛегендарниот часовник на Џорџ Даниелс за компликација Space Traveler. Сега се работи на нив, чија цел е да се интегрираат во часовници Bluetooth технологијада заштедите лични податоцисопственик и да обезбеди автоматско прилагодување на компликации како што е индикаторот за фаза на месечината.
Првите примероци од бр.10 ќе се појават во следната година, во меѓувреме, компанијата бара соодветни партнери меѓу трговците на мало. „Се разбира, би можеле да се обидеме да го продадеме преку Интернет, но ова е премиум модел, па сепак треба да го држите во ваши раце за навистина да го цените. Тоа значи дека сепак ќе мора да ги користиме услугите на трговците на мало и подготвени сме да започнеме преговори“, вели во заклучокот г. Хоптроф.
И дури Оригиналниот напис е на веб-страницата InfoGlaz.rfЛинк до статијата од која е направена оваа копија -
Кога светлото наеднаш ќе се изгасне и ќе се врати малку подоцна, како знаете во кое време да го поставите часовникот? Да, зборувам за електронски часовници, кои веројатно многумина од нас ги имаат. Дали некогаш сте размислувале како се регулира времето? Во оваа статија ќе научиме сè за атомскиот часовник и како тој го тера целиот свет да отчукува.
Дали атомските часовници се радиоактивни?
Атомските часовници го кажуваат времето подобро од кој било друг часовник. Тие го покажуваат времето подобро од ротацијата на Земјата и движењето на ѕвездите. Без атомски часовници, навигацијата со GPS би била невозможна, интернетот нема да биде синхронизиран, а позициите на планетите не би биле познати со доволна точност. вселенски сондии уреди.
Атомските часовници не се радиоактивни. Тие не се потпираат на атомска фисија. Покрај тоа, има пружина, исто како обичен часовник. Најголемата разлика помеѓу стандардниот часовник и атомскиот часовник е тоа што осцилациите во атомскиот часовник се случуваат во јадрото на атомот помеѓу електроните што го опкружуваат. Овие осцилации се едвај паралелни со тркалото за рамнотежа на часовникот со намотување, но и двата типа на осцилации може да се користат за следење на текот на времето. Фреквенцијата на вибрациите во атомот се определува со масата на јадрото, гравитацијата и електростатската „пролет“ помеѓу позитивен полнежјадро и облак од електрони околу него.
Какви видови атомски часовници знаеме?
Денес ги има Различни видовиатомски часовници, но тие се изградени на истите принципи. Главната разлика се однесува на елементот и средствата за откривање на промените во нивото на енергија. Меѓу различни типовиПостојат следниве атомски часовници:
- Атомски часовници на цезиум користат зраци од атоми на цезиум. Часовникот ги одвојува атомите на цезиум со различни нивоа на енергија користејќи магнетно поле.
- Водородните атомски часовници ги држат атомите на водород на целта ниво на енергијаво контејнер чии ѕидови се направени од посебен материјал за атомите да не ја изгубат својата високоенергетска состојба пребрзо.
- Атомските часовници со рубидиум, наједноставните и најкомпактни од сите, користат стаклена ќелија која содржи гас рубидиум.
Најточни атомски часовници денескористете атом на цезиум и конвенционално магнетно поле со детектори. Покрај тоа, атомите на цезиум се содржани од ласерски зраци, што го намалува мали променифреквенции поради доплеровиот ефект.
Како работат атомските часовници базирани на цезиум?
Атомите имаат карактеристична фреквенција на вибрации. Познат пример за фреквенција е портокаловиот сјај на натриум внатре кујнска солако се фрли во оган. Атомот има многу различни фреквенции, некои во опсегот на радио, некои во опсегот видлив спектар, и некои помеѓу овие две. За атомски часовници најчесто се избира цезиум-133.
За да предизвикаат резонирање на атомите на цезиум во атомски часовник, мора точно да се измери една од транзициите или резонантната фреквенција. Ова обично се прави со заклучување на кристален осцилатор во основната микробранова резонанца на атомот на цезиум. Овој сигнал е во опсегот на микробранови на радиофреквенцискиот спектар и ја има истата фреквенција како и директно емитуваните сателитски сигнали. Инженерите знаат како да создадат опрема за овој регион на спектарот, со големи детали.
За да се создаде часовник, цезиумот прво се загрева така што атомите се испаруваат и поминуваат низ цевка со висок вакуум. Тие прво минуваат низ магнетно поле, кое избира атоми со посакуваната енергетска состојба; тие потоа минуваат низ интензивно микробрановичко поле. Фреквенцијата на микробрановата енергија скока напред-назад во тесен опсег на фреквенции, така што во одреден момент достигнува фреквенција од 9.192.631.770 херци (Hz, или циклуси во секунда). Опсегот на микробрановиот осцилатор е веќе блиску до оваа фреквенција бидејќи се произведува од прецизен кристален осцилатор. Кога атом на цезиум добива микробранова енергија со саканата фреквенција, тој ја менува својата енергетска состојба.
На крајот од цевката, друго магнетно поле ги одвојува атомите кои ја промениле нивната енергетска состојба доколку микробрановото поле било со вистинската фреквенција. Детекторот на крајот од цевката произведува излезен сигнал пропорционален на бројот на атоми на цезиум што го погодиле и го достигнува врвот кога фреквенцијата на микробрановата е доволно точна. Овој врвен сигнал е потребен за корекција за да се доведе кристалниот осцилатор, а со тоа и микробрановото поле, до саканата фреквенција. Оваа блокирана фреквенција потоа се дели со 9.192.631.770 за да се даде познатиот еден пулс во секунда што му е потребен на реалниот свет.
Кога е измислен атомскиот часовник?
Во 1945 година, професорот по физика на Универзитетот Колумбија, Исидор Раби, предложил часовник што може да се направи врз основа на техники развиени во 1930-тите. Тоа беше наречено атомски зрак магнетна резонанца. До 1949 година, Националното биро за стандарди го објави создавањето на првиот атомски часовник во светот врз основа на молекулата на амонијак, чии вибрации беа прочитани, а до 1952 година го создаде првиот атомски часовник во светот базиран на атоми на цезиум, NBS-1.
Во 1955 година Националната физичка лабораторијаво Англија го изградил првиот часовник користејќи цезиумски зрак како извор за калибрација. Во текот на следната деценија беа создадени понапредни часовници. Во 1967 година, за време на 13-та Генерална конференција за тежини и мерки, SI вториот беше одреден врз основа на вибрациите во атомот на цезиумот. Во светскиот систем за мерење на времето немаше попрецизна дефиниција од оваа. NBS-4, најстабилниот цезиумски часовник во светот, беше завршен во 1968 година и беше во употреба до 1990 година.