reloj atómico. Historial del reloj. Una breve historia de los instrumentos atómicos de cronometraje

En primer lugar, el reloj utiliza a la humanidad como medio de control del tiempo del programa.

En segundo lugar, hoy la medición del tiempo es también el tipo de medición más preciso de todos los realizados: la precisión de la medición del tiempo ahora está determinada por un error increíble del orden de 1 10-11%, o 1 s en 300 mil años.

Y la gente moderna logró tal precisión cuando comenzó a usar átomos, que, como resultado de sus oscilaciones, son el regulador del reloj atómico. Los átomos de cesio están en los dos estados de energía que necesitamos (+) y (-). La radiación electromagnética con una frecuencia de 9.192.631.770 hercios se produce cuando los átomos se mueven del estado (+) al (-), creando un proceso periódico constante y preciso: el controlador del código del reloj atómico.

Para que los relojes atómicos funcionen con precisión, el cesio debe evaporarse en un horno, como resultado de lo cual se expulsan sus átomos. Detrás del horno hay un imán clasificador, que tiene rendimientoátomos en estado (+), y en él, debido a la irradiación en un campo de microondas, los átomos pasan al estado (-). El segundo imán dirige los átomos que han cambiado de estado (+) a (-) al dispositivo receptor. Muchos átomos que han cambiado de estado se obtienen sólo si la frecuencia del emisor de microondas coincide exactamente con la frecuencia de vibraciones del cesio 9 192 631 770 hercios. De lo contrario, el número de átomos (-) en el receptor disminuye.

Los instrumentos monitorean y ajustan constantemente la constancia de la frecuencia 9 192 631 770 hertz. Entonces, el sueño de los diseñadores de relojes se hizo realidad, se encontró un proceso periódico absolutamente constante: una frecuencia de 9.192.631.770 hercios, que regula el curso de los relojes atómicos.

Hoy, como resultado de un acuerdo internacional, el segundo se define como el período de radiación multiplicado por 9.192.631.770, correspondiente a la transición entre dos niveles estructurales hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio (isótopo cesio-133).

Para medir el tiempo exacto, también puede usar vibraciones de otros átomos y moléculas, como átomos de calcio, rubidio, cesio, estroncio, moléculas de hidrógeno, yodo, metano, etc. Sin embargo, la radiación del átomo de cesio se reconoce como el estándar de frecuencia Para comparar las vibraciones de diferentes átomos con un estándar (cesio), se creó un láser de titanio-zafiro que genera un amplio rango de frecuencia en el rango de 400 a 1000 nm.

El primer creador de relojes atómicos y de cuarzo fue un físico experimental inglés. Essen Lewis (1908-1997). En 1955, creó el primer patrón de frecuencia atómica (tiempo) en un haz de átomos de cesio. Como resultado de este trabajo, 3 años después (1958) surgió un servicio de tiempo basado en el patrón de frecuencia atómica.

En la URSS, el académico Nikolai Gennadievich Basov presentó sus ideas para crear relojes atómicos.

Asi que, reloj atómico, uno de los tipos exactos de relojes es un dispositivo para medir el tiempo, donde las oscilaciones naturales de los átomos o moléculas se utilizan como un péndulo. La estabilidad de los relojes atómicos es la mejor de todas. tipos existentes horas, que es una promesa máxima precisión. El generador de reloj atómico produce más de 32.768 pulsos por segundo, a diferencia de los relojes convencionales. Las oscilaciones de los átomos no dependen de la temperatura del aire, las vibraciones, la humedad y muchos otros factores externos.

EN mundo moderno, cuando la navegación es simplemente indispensable, los relojes atómicos se han convertido asistentes indispensables. son capaces de localizar astronave, satélite, misil balístico, avión, submarino, automóvil automáticamente por satélite.

Así, durante los últimos 50 años, los relojes atómicos, o más bien los relojes de cesio, han sido considerados los más precisos. Los servicios de cronometraje los han utilizado durante mucho tiempo y algunas estaciones de radio también transmiten señales horarias.

El dispositivo de reloj atómico incluye 3 partes:

discriminador cuántico,

oscilador de cuarzo,

complejo electronico

Un oscilador de cuarzo genera una frecuencia (5 o 10 MHz). El oscilador es un generador de radio RC, en el que se utilizan como elemento resonante los modos piezoeléctricos de un cristal de cuarzo, donde se comparan los átomos que han cambiado de estado (+) a (-), para aumentar la estabilidad su frecuencia es constante en comparación con las oscilaciones de un discriminador cuántico (átomos o moléculas). Cuando hay una diferencia en las oscilaciones, la electrónica ajusta la frecuencia del oscilador de cuarzo a cero, aumentando así la estabilidad y precisión del reloj al nivel deseado.

En el mundo moderno, los relojes atómicos se pueden fabricar en cualquier país del mundo para su uso en La vida cotidiana. Son muy pequeños en tamaño y hermosos. El tamaño de la última novedad de los relojes atómicos no es más que cajita de cerillas y su bajo consumo de energía - menos de 1 vatio. Y este no es el límite, quizás en el futuro progreso tecnico Alcanzará teléfonos móviles. Mientras tanto, los relojes atómicos compactos se instalan solo en misiles estratégicos para aumentar muchas veces la precisión de la navegación.

Hoy en día, los relojes atómicos para hombres y mujeres para todos los gustos y presupuestos se pueden comprar en las tiendas en línea.

En 2011, Symmetricom y el Laboratorio Nacional Sandia crearon el reloj atómico más pequeño del mundo. Este reloj, 100 veces más compacto que los anteriores comercialmente versiones disponibles. El tamaño de un cronómetro atómico no es más grande que una caja de fósforos. Necesita 100 mW de potencia para funcionar, 100 veces menos que sus predecesores.

Fue posible reducir el tamaño del reloj instalando en lugar de resortes y engranajes un mecanismo que funciona según el principio de determinar la frecuencia de las ondas electromagnéticas emitidas por los átomos de cesio bajo la influencia de un rayo láser de potencia insignificante.

Dichos relojes se utilizan en la navegación, así como en el trabajo de mineros, buzos, donde es necesario sincronizar con precisión el tiempo con colegas en la superficie, así como servicios de tiempo precisos, porque el error de los relojes atómicos es inferior a 0,000001 fracciones. de un segundo por día. El costo del pequeño reloj atómico Symmetricom que batió récords fue de alrededor de $ 1,500.

Isidore Rabi, profesor de física en la Universidad de Columbia, propuso un proyecto nunca antes visto: un reloj que funciona según el principio de un haz atómico de resonancia magnética. Esto sucedió en 1945, y ya en 1949, la Oficina Nacional de Normas lanzó el primer prototipo funcional. Leía vibraciones de la molécula de amoníaco. El cesio entró en el negocio mucho más tarde: el modelo NBS-1 apareció solo en 1952.

El Laboratorio Nacional de Física de Inglaterra creó el primer reloj de haz de cesio en 1955. Más de diez años después, durante la Conferencia General de Pesos y Medidas, se presentó un reloj más avanzado, también basado en vibraciones en el átomo de cesio. El modelo NBS-4 se utilizó hasta 1990.

Tipos de relojes

Sobre el este momento Hay tres tipos de relojes atómicos que funcionan más o menos con el mismo principio. Reloj de cesio, el más preciso, parte el átomo de cesio campo magnético. El reloj atómico más simple, el reloj de rubidio, utiliza gas de rubidio encerrado en un bulbo de vidrio. Y, finalmente, los relojes atómicos de hidrógeno toman como punto de referencia los átomos de hidrógeno encerrados en una capa de material especial- no permite que los átomos pierdan energía rápidamente.

Qué hora es en este momento

En 1999, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (NIST) propuso una versión aún más avanzada del reloj atómico. El modelo NIST-F1 tiene un error de solo un segundo en veinte millones de años.

Más precisa

Pero los físicos del NIST no se detuvieron ahí. Los científicos decidieron desarrollar un nuevo cronómetro, esta vez basado en átomos de estroncio. El nuevo reloj funciona con el 60% del modelo anterior, lo que significa que pierde un segundo no en veinte millones de años, sino en cinco mil millones.

Medición del tiempo

Un acuerdo internacional ha determinado la única frecuencia exacta para la resonancia de una partícula de cesio. Esto es 9,192,631,770 hercios; dividir la señal de salida por este número da exactamente un ciclo por segundo.

¿Alguna vez has notado que el reloj de tu casa está mostrando diferente tiempo? ¿Y cómo entender cuál de todas las opciones es la correcta? Aprenderemos las respuestas a todas estas preguntas estudiando a fondo el principio de funcionamiento de los relojes atómicos.

Reloj atómico: descripción y principio de funcionamiento.

Primero comprendamos cuál es el mecanismo de un reloj atómico. Un reloj atómico es un dispositivo que mide el tiempo, pero utiliza sus propias vibraciones como la periodicidad del proceso, y todo sucede a nivel atómico y molecular. De ahí la precisión.

¡Es seguro decir que los relojes atómicos son los más precisos! Es gracias a ellos que Internet y la navegación GPS funcionan en el mundo, sabemos la ubicación exacta de los planetas en sistema solar. ¡El error de este dispositivo es tan mínimo que podemos decir con confianza que son de clase mundial! Gracias a los relojes atómicos se lleva a cabo la sincronización del mundo entero, se sabe dónde se ubican ciertos cambios.

¿Quién inventó, quién creó y también a quién se le ocurrió este reloj milagroso?

Allá por los años cuarenta del siglo XX, se conocía acerca del haz atómico de resonancia magnética. Al principio, su aplicación no se refería a los relojes de ninguna manera, era solo una teoría. Pero ya en 1945, Isidor Rabi propuso crear un dispositivo, cuyo concepto era que funcionaran sobre la base de la técnica anterior. Pero estaban dispuestos de tal manera que mostraban resultados inexactos. Y ya en 1949, la Oficina Nacional de Normas informó al mundo entero sobre la creación del primer reloj atómico, que se basó en compuestos moleculares de amoníaco, y ya en 1952, se dominaron las tecnologías para crear un prototipo basado en átomos de cesio.

Al escuchar sobre los átomos de amoníaco y cesio, surge la pregunta, pero ¿son radiactivos estos maravillosos relojes? La respuesta es inequívoca: ¡no! No tienen descomposición atómica.

Hoy en día, hay muchos materiales con los que se fabrican los relojes atómicos. Por ejemplo, es silicio, cuarzo, aluminio e incluso plata.

¿Cómo funciona el dispositivo?

Echemos un vistazo a cómo se ven y funcionan los relojes de energía nuclear. Para ello, ofrecemos una descripción de su trabajo:

Para el correcto funcionamiento de este particular reloj, no se necesita un péndulo, ni un oscilador de cuarzo. Utilizan señales que surgen debido a la transición cuántica de un electrón entre dos niveles de energía de un átomo. Como resultado, podemos observar una onda electromagnética. En otras palabras, obtenemos fluctuaciones frecuentes y un nivel ultra alto de estabilidad del sistema. Cada año, debido a nuevos descubrimientos, los procesos se modernizan. No hace mucho tiempo, los especialistas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) se convirtieron en campeones, estableciendo un récord mundial absoluto. Fueron capaces de llevar la precisión del reloj atómico (basado en estroncio) a la mínima desviación, a saber: durante 15 mil millones de años, corre un segundo. Sí, sí, no les pareció que esta es la edad que ahora se le está asignando a nuestro Universo. ¡Este es un gran descubrimiento! Después de todo, fue el estroncio el que jugó el papel más importante en este disco. Los átomos de estroncio en movimiento en su red espacial, que los científicos crearon usando un láser, actuaron como un análogo del "tictac". Como siempre en la ciencia, en teoría todo parece encantador y ya mejorado, pero la inestabilidad de tal sistema puede resultar menos alegre en la práctica. Es debido a su inestabilidad que el dispositivo basado en cesio ganó popularidad en todo el mundo.

Ahora considere en qué consiste tal dispositivo. Los principales detalles aquí son:

• discriminador cuántico;
• generador de cuarzo;
• electrónica.

Un generador de cuarzo es una especie de autooscilador, pero para producir un elemento resonante, utiliza modos piezoeléctricos de un cristal de cuarzo.

Teniendo un discriminador cuántico y un oscilador de cuarzo, bajo la influencia de su frecuencia, se comparan y, si se detecta una diferencia, el circuito comentario requiere que el oscilador de cristal se ajuste al valor requerido y mejore la estabilidad y la precisión. Como resultado, a la salida vemos en el dial valor exacto, que significa la hora exacta.

Los primeros modelos tenían bastante tallas grandes, sin embargo, en octubre de 2013, BathysHawaii causó sensación al lanzar armas nucleares en miniatura reloj de pulsera. Al principio, todos tomaron esta afirmación como una broma, pero pronto quedó claro que era realmente cierto y que funcionan sobre la base de la fuente atómica Cesium 133. La seguridad del dispositivo está garantizada por el hecho de que el elemento radiactivo es contenido en forma de gas en una cápsula especial. Fotos de este dispositivo repartidas por todo el mundo.

Muchos en el tema de los relojes atómicos están interesados ​​en el tema de una fuente de energía. La batería es una batería de iones de litio. Pero, por desgracia, aún no se sabe cuánto durará esa batería.

El reloj BathysHawaii fue verdaderamente el primer atómico reloj de pulsera. Anteriormente, ya se conocían casos de lanzamiento de un dispositivo relativamente portátil, pero, lamentablemente, no tenía una fuente de energía atómica, sino que solo se sincronizaba con relojes generales reales a través de radio inalámbrica. También vale la pena mencionar el costo de dicho dispositivo. El placer se estimó en 12 mil dólares estadounidenses. Estaba claro que con ese precio, los relojes no ganarían gran popularidad, pero la compañía no se esforzó por lograrlo, porque los lanzó en un lote muy limitado.

Conocemos varios tipos de relojes atómicos. No hay diferencias significativas en su diseño y principios, pero todavía hay algunas diferencias. Entonces, los principales están en los medios para encontrar cambios y sus elementos. Se pueden distinguir los siguientes tipos de relojes:

1. Hidrógeno. Su esencia radica en el hecho de que los átomos de hidrógeno se mantienen en el nivel correcto de energía, pero las paredes están hechas de un material especial. En base a esto, concluimos que son los átomos de hidrógeno los que pierden muy rápidamente su estado de energía.
2. cesio. La base para ellos son los rayos de cesio. Vale la pena señalar que estos relojes son los más precisos.
3. Rubidio. Son los más sencillos y muy compactos.

Como se mencionó anteriormente, los relojes atómicos son un dispositivo muy costoso. Así, el reloj de bolsillo Hoptroff No. 10 es un brillante representante de una nueva generación de juguetes. El precio de un accesorio tan elegante y muy preciso es de 78 mil dólares. Solo se lanzaron 12 copias. El mecanismo de este dispositivo utiliza un sistema oscilatorio de alta frecuencia, que también está equipado con una señal de GPS.

La compañía no se quedó ahí y es en su décima versión del reloj que quiere aplicar el método de colocar el movimiento en una caja de oro, que se imprimirá en una popular impresora 3D. Todavía no se ha calculado exactamente cuánto oro se utilizará para esta versión del caso, pero ya se conoce el precio de venta estimado de esta obra maestra: ascendió a alrededor de 50 mil libras esterlinas. Y este no es el precio final, aunque tiene en cuenta todos los volúmenes de investigación, así como la novedad y la singularidad del dispositivo en sí.

Hechos históricos sobre el uso de los relojes.

Cómo, cuando se habla de relojes atómicos, por no mencionar los más datos interesantes, que se asocian a ellos y al tiempo en general:

1. ¿Sabías que en antiguo Egipto¿El reloj de sol más antiguo jamás encontrado?
2. El error de los relojes atómicos es mínimo: es solo 1 segundo durante 6 millones de años.
3. Todo el mundo sabe que hay 60 segundos en un minuto. Pero pocas personas profundizaron en cuántos milisegundos hay en un segundo. Y no son muchos ni pocos, ¡mil!
4. Todo turista que pudo visitar Londres seguramente querría ver el Big Ben con sus propios ojos. Pero desafortunadamente, no mucha gente sabe que el Big Ben no es una torre en absoluto, sino el nombre de una enorme campana que pesa 13 toneladas y suena dentro de la torre.
5. ¿Alguna vez te has preguntado por qué las manecillas de nuestros relojes van exactamente de izquierda a derecha, o cómo solíamos decir "en el sentido de las agujas del reloj"? Este hecho está directamente relacionado con el movimiento de la sombra en el reloj de sol.
6. El primer reloj de pulsera se inventó en el reciente 1812. Fueron realizados por el fundador de Breguet para la Reina de Nápoles.
7. Antes de la Primera Guerra Mundial, los relojes de pulsera se consideraban solo un accesorio femenino, pero pronto, debido a su conveniencia, también fueron elegidos por la parte masculina de la población.

, Galileo) son imposibles sin los relojes atómicos. Los relojes atómicos también se utilizan en sistemas de telecomunicaciones terrestres y por satélite, incluidos estaciones base comunicaciones móviles, oficinas internacionales y nacionales de estándares y servicios horarios, que periódicamente transmiten señales horarias por radio.

Dispositivo de reloj

El reloj consta de varias partes:

• discriminador cuántico,
• complejo electronico

Centros Nacionales de Patrones de Frecuencia

Muchos países han formado centros nacionales para estándares de tiempo y frecuencia:

• (VNIIFTRI), pueblo Mendeleevo, región de Moscú;
• (NIST), Boulder (Estados Unidos, Colorado);
• Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST), Tokio (Japón);
• Agencia Federal Física y Técnica (Alemán)(PTB), Braunschweig (Alemania);
• Laboratorio Nacional de Metrología y Ensayos (fr.)(LNE), París (Francia).
• Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido (NPL), Londres, Reino Unido.

Científicos diferentes paises trabajando en la mejora de los relojes atómicos y los estándares primarios estatales de tiempo y frecuencia basados ​​​​en ellos, la precisión de dichos relojes aumenta constantemente. En Rusia, se está llevando a cabo una amplia investigación destinada a mejorar las características de los relojes atómicos.

Tipos de relojes atómicos

No todos los átomos (moléculas) son adecuados como discriminadores para relojes atómicos. Elija átomos que sean insensibles a diversas influencias externas: campos magnéticos, eléctricos y electromagnéticos. Hay tales átomos en cada rango del espectro de radiación electromagnética. Estos son: átomos de calcio, rubidio, cesio, estroncio, moléculas de hidrógeno, yodo, metano, óxido de osmio (VIII), etc. La transición hiperfina del átomo de cesio fue elegida como patrón de frecuencia principal (primario). Las características de todos los demás estándares (secundarios) se comparan con este estándar. Para realizar tal comparación, actualmente se utilizan los llamados peines ópticos. (Inglés)- radiación con un amplio espectro de frecuencias en forma de líneas equidistantes, cuya distancia está ligada al patrón de frecuencia atómica. Los peines ópticos se obtienen utilizando un láser de femtosegundo de modo bloqueado y fibra microestructurada, en el que el espectro se amplía a una octava.

En 2006, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU., dirigidos por Jim Bergquist (ing. Jim Bergquist) desarrollaron un reloj de un solo átomo. Durante las transiciones entre los niveles de energía del ion mercurio, se generan fotones del rango visible con una estabilidad 5 veces mayor que la radiación de microondas del cesio-133. El nuevo reloj también puede encontrar aplicación en estudios de la dependencia del tiempo de constantes físicas fundamentales. A partir de abril de 2015, la más precisa reloj atómico fueron los relojes creados en Instituto Nacional Estándares y tecnologías estadounidenses. El error fue de sólo un segundo en 15 mil millones de años. La geodesia relativista fue citada como una de las posibles aplicaciones de los relojes, cuya idea principal es el uso de una red de relojes como sensores de gravedad, lo que ayudará a realizar mediciones tridimensionales increíblemente detalladas de la forma de la Tierra.

El desarrollo activo de relojes atómicos compactos para su uso en la vida cotidiana (relojes de pulsera, dispositivos móviles) está en marcha. A principios de 2011, una empresa estadounidense simetría anunció el lanzamiento comercial de un reloj atómico de cesio del tamaño de un pequeño chip. El reloj funciona sobre la base del efecto de captura de población coherente. Su estabilidad es 5 10 -11 por hora, peso - 35 g, consumo de energía - 115 mW.

notas

1. Se establece un nuevo récord para la precisión del reloj atómico (indefinido) . Membrana (5 de febrero de 2010). Consultado el 4 de marzo de 2011. Archivado desde el original el 9 de febrero de 2012.
2. Estas frecuencias son típicas de los resonadores de cuarzo de precisión, con el factor de calidad y la estabilidad de frecuencia más altos que se pueden lograr con el efecto piezoeléctrico. En general, los osciladores de cristal se utilizan en frecuencias desde unos pocos kHz hasta varios cientos de MHz. ( Altshuller G. B., Elfimov N. N., Shakulin V. G. Osciladores de cristal: Guía de ayuda. - M.: Radio y comunicación, 1984. - S. 121, 122. - 232 p. - 27.000 ejemplares.)
3. N. G. Basov y V. S. Letokhov Estándares de frecuencia óptica. // UFN. - 1968. - T. 96, N° 12.
4. Laboratorios nacionales de metrología. NIST, 3 de febrero de 2011 (Consultado el 14 de junio de 2011)
5. Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Reloj óptico de un solo átomo con alta precisión // Phys. Rvdo. Letón. . - Sociedad Americana de Física, 4 de julio de 2006. - vol. 97, núm. 2. -

Una sensación se ha extendido por todo el mundo científico: ¡el tiempo se está evaporando de nuestro Universo! Hasta el momento, esto es solo una hipótesis de los astrofísicos españoles. Pero el hecho de que el flujo del tiempo en la Tierra y en el espacio sea diferente ya ha sido probado por los científicos. El tiempo fluye más lentamente bajo la influencia de la gravedad, acelerándose a medida que te alejas del planeta. La tarea de sincronizar el tiempo terrestre y cósmico se realiza mediante patrones de frecuencia de hidrógeno, que también se denominan "relojes atómicos".

Primero tiempo atómico apareció junto con el advenimiento de la astronáutica, los relojes atómicos aparecieron a mediados de la década de 1920. Ahora los relojes atómicos se han vuelto comunes, cada uno de nosotros los usa todos los días: funcionan con comunicaciones digitales, GLONAS, navegación y transporte.

Los propietarios de teléfonos móviles apenas piensan en lo que trabajo duro en el espacio se lleva a cabo para una sincronización de tiempo ajustada, pero estamos hablando de solo millonésimas de segundo.

El estándar de tiempo exacto se almacena en la región de Moscú, en el Instituto Científico de Mediciones Físico-Técnicas y Radio-Técnicas. Hay 450 relojes de este tipo en el mundo.

Rusia y EE. UU. son los monopolistas de los relojes atómicos, pero en EE. UU. los relojes funcionan a base de cesio, un metal radiactivo muy dañino para el medio ambiente, y en Rusia, a base de hidrógeno, un material duradero más seguro.

Este reloj no tiene esfera ni manecillas: parece un gran barril hecho de metales raros y valiosos, lleno de los más Tecnologías avanzadas- alta precisión instrumentos de medición y equipos con estándares atómicos. El proceso de su creación es muy largo, complejo y se desarrolla en condiciones de absoluta esterilidad.

Durante 4 años, el reloj instalado en el satélite ruso ha estado estudiando la energía oscura. Según los estándares humanos, pierden precisión en 1 segundo en muchos millones de años.

Muy pronto, se instalará un reloj atómico en Spektr-M, un observatorio espacial que verá cómo se forman las estrellas y los exoplanetas, mira por el borde calabozo en el centro de nuestra galaxia. Según los científicos, debido a la monstruosa gravedad, el tiempo fluye aquí tan lentamente que casi se detiene.

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