Po prvé, hodiny využívajú ľudstvo ako prostriedok na riadenie programového času.
Po druhé, meranie času je dnes tiež najpresnejším typom merania zo všetkých vykonávaných: presnosť merania času je teraz určená neuveriteľnou chybou rádovo 1 10-11% alebo 1 s za 300 tisíc rokov.
A moderní ľudia dosiahli takú presnosť, keď začali používať atómov, ktoré sú v dôsledku svojich kmitov regulátorom atómových hodín. Atómy cézia sú v dvoch energetických stavoch, ktoré potrebujeme (+) a (-). Elektromagnetické žiarenie s frekvenciou 9 192 631 770 hertzov vzniká pri pohybe atómov zo stavu (+) do (-), čím vzniká presný konštantný periodický proces - regulátor kódu atómových hodín.
Aby atómové hodiny fungovali presne, musí sa cézium vyparovať v peci, v dôsledku čoho sú jeho atómy vyvrhnuté. Za rúrou je triediaci magnet, ktorý má priepustnosť atómy v (+) stave a v ňom vplyvom ožiarenia v mikrovlnnom poli prechádzajú atómy do (-) stavu. Druhý magnet smeruje atómy, ktoré zmenili stav (+) na (-) do prijímacieho zariadenia. Mnohé atómy, ktoré zmenili svoj stav, sa získajú iba vtedy, ak sa frekvencia mikrovlnného žiariča presne zhoduje s frekvenciou vibrácií cézia 9 192 631 770 hertzov. V opačnom prípade sa počet atómov (-) v prijímači zníži.
Prístroje neustále monitorujú a upravujú stálosť frekvencie 9 192 631 770 hertzov. Sen dizajnérov hodiniek sa teda splnil, našiel sa absolútne konštantný periodický proces: frekvencia 9 192 631 770 hertzov, ktorá reguluje chod atómových hodín.
Dnes, na základe medzinárodnej dohody, je druhá definovaná ako doba žiarenia vynásobená 9 192 631 770, čo zodpovedá prechodu medzi dvoma hyperjemnými štrukturálnymi úrovňami základného stavu atómu cézia (izotop cézia-133).
Na meranie presného času môžete použiť aj vibrácie iných atómov a molekúl, ako sú atómy vápnika, rubídia, cézia, stroncia, molekúl vodíka, jódu, metánu atď. Žiarenie atómu cézia sa však rozpoznáva ako frekvenčný štandard. Aby bolo možné porovnať vibrácie rôznych atómov so štandardom (cézium), bol vytvorený titánovo-zafírový laser, ktorý generuje široký frekvenčný rozsah v rozsahu od 400 do 1000 nm.
Prvým tvorcom kremenných a atómových hodín bol anglický experimentálny fyzik Essen Lewis (1908-1997). V roku 1955 vytvoril prvý štandard atómovej frekvencie (času) na zväzku atómov cézia. V dôsledku tejto práce sa o 3 roky neskôr (1958) objavila časová služba založená na štandarde atómovej frekvencie.
V ZSSR akademik Nikolaj Gennadievič Basov predložil svoje nápady na vytvorenie atómových hodín.
takze atómové hodiny, jedným z presných typov hodín je zariadenie na meranie času, kde sa ako kyvadlo využíva prirodzené kmitanie atómov alebo molekúl. Stabilita atómových hodín je najlepšia spomedzi všetkých existujúce typy hodín, čo je záruka najvyššia presnosť. Generátor atómových hodín produkuje viac ako 32 768 impulzov za sekundu, na rozdiel od bežných hodín. Oscilácie atómov nezávisia od teploty vzduchu, vibrácií, vlhkosti a mnohých ďalších vonkajších faktorov.
AT modernom svete, keď je navigácia jednoducho nepostrádateľná, sa stali atómové hodiny nepostrádateľní pomocníci. Sú schopní lokalizovať vesmírna loď, satelit, balistická strela, lietadlo, ponorka, auto automaticky satelitom.
Posledných 50 rokov sa teda za najpresnejšie považujú atómové hodiny, či skôr céziové hodiny. Už dávno ich využívajú časomeračské služby a časové signály vysielajú aj niektoré rádiá.
Zariadenie atómových hodín obsahuje 3 časti: 
kvantový diskriminátor,
kremenný oscilátor,
komplex elektroniky.
Kremenný oscilátor generuje frekvenciu (5 alebo 10 MHz). Oscilátor je RC rádiový generátor, v ktorom sú ako rezonančný prvok použité piezoelektrické módy kryštálu kremeňa, kde sa porovnávajú atómy, ktoré zmenili stav (+) na (-), pre zvýšenie stability je jeho frekvencia neustále v porovnaní s osciláciami kvantového diskriminátora (atómov alebo molekúl). Keď dôjde k rozdielu v osciláciách, elektronika upraví frekvenciu kremenného oscilátora na nulu, čím zvýši stabilitu a presnosť hodín na požadovanú úroveň.
V modernom svete môžu byť atómové hodiny vyrobené v ktorejkoľvek krajine sveta na použitie Každodenný život. Sú veľmi malé a krásne. Veľkosť najnovšej novinky atómových hodín nie je väčšia ako zápalková škatuľka a ich nízka spotreba energie - menej ako 1 Watt. A to nie je limit, možno v budúcnosti technický pokrok dosiahne mobilné telefóny. Kompaktné atómové hodiny sú medzitým inštalované len na strategických raketách, aby sa presnosť navigácie mnohonásobne zvýšila.
Dnes je možné v internetových obchodoch kúpiť pánske a dámske atómové hodinky pre každý vkus a rozpočet.
V roku 2011 boli spoločnosťou Symmetricom a Sandia National Laboratory vytvorené najmenšie atómové hodiny na svete. Tieto hodinky sú 100-krát kompaktnejšie ako predchádzajúce komerčne dostupné verzie. Veľkosť atómového chronometra nie je väčšia ako škatuľka zápaliek. Na svoju prevádzku potrebuje 100 mW výkonu, čo je 100-krát menej ako jeho predchodcovia.
Veľkosť hodín bolo možné zmenšiť tým, že namiesto pružín a ozubených kolies sa namontoval mechanizmus, ktorý funguje na princípe určovania frekvencie elektromagnetických vĺn vyžarovaných atómami cézia pod vplyvom laserového lúča zanedbateľného výkonu.
Takéto hodiny sa používajú v navigácii, ako aj pri práci baníkov, potápačov, kde je potrebné presne synchronizovať čas s kolegami na povrchu, ako aj presné časové služby, pretože chyba atómových hodín je menšia ako 0,000001 zlomku. sekundy za deň. Náklady na rekordne malé atómové hodiny Symmetricom boli približne 1 500 dolárov.
Nový impulz vo vývoji zariadení na meranie času dali atómoví fyzici.
V roku 1949 boli zostrojené prvé atómové hodiny, kde zdrojom kmitov nebolo kyvadlo ani kremenný oscilátor, ale signály spojené s kvantovým prechodom elektrónu medzi dvoma energetickými hladinami atómu.
V praxi sa takéto hodiny ukázali ako málo presné, navyše boli objemné a drahé a neboli široko používané. Potom sa rozhodlo obrátiť sa na chemický prvok - cézium. A v roku 1955 sa objavili prvé atómové hodiny založené na atómoch cézia.
V roku 1967 sa rozhodlo o prechode na atómový časový štandard, keďže rotácia Zeme sa spomaľuje a veľkosť tohto spomalenia nie je konštantná. To značne sťažilo prácu astronómov a strážcov času.
Zem sa v súčasnosti otáča rýchlosťou asi 2 milisekúnd za 100 rokov.
Výkyvy v trvaní dňa dosahujú aj tisíciny sekundy. Preto sa presnosť greenwichského času (svetový štandard od roku 1884) stala nedostatočnou. V roku 1967 sa uskutočnil prechod na atómový časový štandard.
Dnes je sekunda časový úsek presne rovný 9 192 631 770 periódam žiarenia, čo zodpovedá prechodu medzi dvoma hyperjemnými úrovňami základného stavu atómu Cézia 133.
V súčasnosti sa ako časová mierka používa koordinovaný svetový čas. Tvorí ho Medzinárodný úrad pre váhy a miery spojením údajov z laboratórií na meranie času z rôznych krajín, ako aj údajov Medzinárodnej služby rotácie Zeme. Jeho presnosť je takmer miliónkrát lepšia ako astronomický greenwichský čas.
Bola vyvinutá technológia, ktorá umožní radikálne znížiť veľkosť a cenu ultra presných atómových hodín, čo umožní ich široké využitie v mobilných zariadeniach na rôzne účely. Vedcom sa podarilo vytvoriť atómový časový štandard ultra malej veľkosti. Takéto atómové hodiny spotrebujú menej ako 0,075 W a nemajú chybu väčšiu ako jednu sekundu za 300 rokov.
Americkému výskumnému tímu sa podarilo vytvoriť ultrakompaktný atómový štandard. Bolo možné napájať atómové hodiny z bežných AA batérií. Ultra presné atómové hodiny, zvyčajne aspoň meter vysoké, boli umiestnené v objeme 1,5 x 1,5 x 4 mm
V USA boli vyvinuté experimentálne atómové hodiny založené na jedinom ortuťovom ióne. Sú päťkrát presnejšie ako cézium, ktoré sú akceptované ako medzinárodný štandard. Céziové hodiny sú také presné, že odchýlka jednej sekundy sa dosiahne až po 70 miliónoch rokov a pre ortuťové hodiny bude toto obdobie 400 miliónov rokov.
V roku 1982 v spore medzi astronomickou definíciou normy času a tými, ktorí ju porazili atómové hodiny zasiahol nový astronomický objekt - milisekundový pulzar. Tieto signály sú stabilné ako najlepšie atómové hodiny
Vedel si?
Prvé hodinky v Rusku
V roku 1412 boli v Moskve na nádvorí veľkovojvodu za kostolom Zvestovania umiestnené hodiny a vyrobil ich Lazar, srbský mních pochádzajúci zo srbskej zeme. Bohužiaľ, popis týchto prvých hodín v Rusku sa nezachoval.
________Ako sa zvonkohra objavila na Spasskej veži moskovského Kremľa?
Angličan Christopher Galovey vyrobil v 17. storočí zvonkohru pre Spasskú vežu: hodinový kruh bol rozdelený na 17 sektorov, jediná hodinová ručička bola nehybná, smerovala nadol a ukazovala na ľubovoľné číslo na číselníku, no samotný číselník sa otáčal.
Všimli ste si niekedy, že vaše hodiny v dome ukazujú iný čas? A ako pochopiť, ktorá zo všetkých možností je správna? Odpovede na všetky tieto otázky sa dozvieme dôkladným štúdiom princípu fungovania atómových hodín.
Atómové hodiny: popis a princíp činnosti
Poďme najprv pochopiť, aký je mechanizmus atómových hodín. Atómové hodiny sú zariadenie, ktoré meria čas, ale ako periodicitu procesu používa svoje vlastné vibrácie a všetko sa deje na atómovej a molekulárnej úrovni. Preto tá presnosť.
Dá sa povedať, že atómové hodiny sú najpresnejšie! Vďaka nim vo svete funguje internet a GPS navigácia, poznáme presnú polohu planét slnečná sústava. Chyba tohto zariadenia je taká minimálna, že môžeme s istotou povedať, že sú na svetovej úrovni! Vďaka atómovým hodinám prebieha celá synchronizácia sveta, je známe, kde sa nachádzajú určité zmeny.
Kto vynašiel, kto vytvoril a tiež kto prišiel s týmito zázračnými hodinkami?
Začiatkom štyridsiatych rokov dvadsiateho storočia sa vedelo o atómovom zväzku magnetickej rezonancie. Jej aplikácia sa spočiatku hodiniek nijako netýkala – išlo len o teóriu. Ale už v roku 1945 Isidor Rabi navrhol vytvoriť zariadenie, ktorého koncepciou bolo, že fungujú na základe vyššie uvedenej techniky. Ale boli usporiadané tak, že vykazovali nepresné výsledky. A už v roku 1949 Národný úrad pre normy informoval celý svet o vytvorení prvých atómových hodín, ktoré boli založené na molekulárnych zlúčeninách amoniaku, a už v roku 1952 boli zvládnuté technológie na vytvorenie prototypu založeného na atómoch cézia.
Keď počujeme o atómoch amoniaku a cézia, vynára sa otázka, ale sú tieto nádherné hodiny rádioaktívne? Odpoveď je jednoznačná – nie! Nemajú atómový rozpad.
V súčasnosti existuje veľa materiálov, z ktorých sa vyrábajú atómové hodiny. Napríklad je to kremík, kremeň, hliník a dokonca aj striebro.
Ako zariadenie funguje?
Poďme sa pozrieť, ako vyzerajú a fungujú hodiny s jadrovým pohonom. Na tento účel ponúkame popis ich práce:
Pre správne fungovanie týchto konkrétnych hodín nie je potrebné kyvadlo, ani kremenný oscilátor. Využívajú signály, ktoré vznikajú v dôsledku kvantového prechodu jedného elektrónu medzi dvoma energetickými hladinami atómu. V dôsledku toho sme schopní pozorovať elektromagnetické vlnenie. Inými slovami, dostávame časté výkyvy a ultra vysokú úroveň stability systému. Každý rok sa vďaka novým objavom procesy modernizujú. Nie je to tak dávno, čo sa špecialisti z The National Institute fStandardsand Technology (NIST) stali šampiónmi a vytvorili absolútny svetový rekord. Dokázali dostať presnosť atómových hodín (na báze stroncia) na minimálnu odchýlku, konkrétne: 15 miliárd rokov beží jedna sekunda. Áno, áno, nezdalo sa vám, že toto je vek, ktorý sa teraz priraďuje nášmu Vesmíru. Toto je obrovský objav! Napokon, práve stroncium zohralo v tejto platni najdôležitejšiu úlohu. Pohybujúce sa atómy stroncia v jeho priestorovej mriežke, ktorú vedci vytvorili pomocou lasera, pôsobili ako analógia „tikania“. Ako vždy vo vede, teoreticky sa všetko zdá očarujúce a už vylepšené, ale nestabilita takéhoto systému sa v praxi môže ukázať ako menej radostná. Zariadenie na báze cézia získalo celosvetovú popularitu kvôli svojej nestabilite.
Teraz zvážte, z čoho pozostáva takéto zariadenie. Hlavné podrobnosti sú tu:
- kvantový diskriminátor;
- kremenný generátor;
- elektronika.
Kremenný oscilátor je druh samooscilátora, ale na výrobu rezonančného prvku využíva piezoelektrické režimy kremenného kryštálu.
Majúc kvantový diskriminátor a kremenný oscilátor, pod vplyvom ich frekvencie sa porovnávajú a ak sa zistí rozdiel, obvod spätná väzba vyžaduje, aby sa kryštálový oscilátor nastavil na požadovanú hodnotu a zlepšil sa stabilita a presnosť. Výsledkom je, že na výstupe vidíme na číselníku presná hodnota, čo znamená presný čas.
Prvé modely mali dosť veľké veľkosti v októbri 2013 sa však BathysHawaii postaralo o rozruch vydaním miniatúrnych jadrových náramkové hodinky. Toto tvrdenie najskôr všetci brali ako vtip, no čoskoro sa ukázalo, že je to naozaj pravda a fungujú na báze atómového zdroja Cézium 133. Bezpečnosť zariadenia je zabezpečená tým, že rádioaktívny prvok je obsiahnuté vo forme plynu v špeciálnej kapsule. Fotografie tohto zariadenia roztrúsené po celom svete.
Mnohí v téme atómových hodín sa zaujímajú o problematiku zdroja energie. Batéria je lítium-iónová batéria. Bohužiaľ, zatiaľ nie je známe, ako dlho takáto batéria vydrží.
Hodinky BathysHawaii boli skutočne prvé atómové náramkové hodinky. Už predtým boli známe prípady uvoľnenia relatívne prenosného zariadenia, ktoré však, žiaľ, nemalo atómový zdroj energie, ale iba synchronizované so skutočnými celkovými hodinami prostredníctvom bezdrôtového rádia. Za zmienku stojí aj cena takéhoto gadgetu. Potešenie sa odhadovalo na 12-tisíc amerických dolárov. Bolo jasné, že s takou cenou si hodinky nezískajú veľkú popularitu, ale spoločnosť sa o to nesnažila, pretože ich vydala vo veľmi obmedzenej dávke.
Poznáme niekoľko typov atómových hodín. V ich dizajne a princípoch nie sú žiadne významné rozdiely, ale stále existujú určité rozdiely. Hlavné sú teda prostriedky hľadania zmien a ich prvkov. Je možné rozlíšiť nasledujúce typy hodiniek:
- Vodík. Ich podstata spočíva v tom, že atómy vodíka sú podporované na správnej úrovni energie, ale steny sú vyrobené z špeciálny materiál. Na základe toho usudzujeme, že práve atómy vodíka veľmi rýchlo strácajú svoj energetický stav.
- cezeň. Základom pre nich sú céziové nosníky. Stojí za zmienku, že tieto hodinky sú najpresnejšie.
- Rubidium. Sú najjednoduchšie a veľmi kompaktné.
Ako už bolo spomenuté, atómové hodiny sú veľmi drahý prístroj. Vreckové hodinky Hoptroff No. 10 sú teda jasným predstaviteľom novej generácie hračiek. Cena takého štýlového a veľmi presného doplnku je 78 tisíc dolárov. Vyšlo len 12 kópií. Mechanizmus tohto zariadenia využíva vysokofrekvenčný oscilačný systém, ktorý je vybavený aj signálom GPS.
Spoločnosť pri tom nezostala a práve vo svojej desiatej verzii hodiniek chce aplikovať spôsob umiestnenia mechanizmu do zlatého puzdra, ktoré bude vytlačené na obľúbenej 3D tlačiarni. Zatiaľ nie je presne vyčíslené, koľko zlata sa na takúto verziu puzdra použije, no už je známa odhadovaná maloobchodná cena tohto majstrovského diela – dosahovala približne 50-tisíc libier šterlingov. A to nie je konečná cena, hoci zohľadňuje všetky objemy výskumu, ako aj novosť a jedinečnosť samotného gadgetu.
Historické fakty o používaní hodiniek
Ako, keď hovoríme o atómových hodinách, nehovoriac o tom najviac zaujímavosti, ktoré sú s nimi spojené a s časom vo všeobecnosti:
- Vedeli ste, že v staroveký Egypt najstaršie slnečné hodiny, aké sa kedy našli?
- Chyba atómových hodín je minimálna – je to len 1 sekunda na 6 miliónov rokov.
- Každý vie, že minúta má 60 sekúnd. Ale len málo ľudí sa ponorilo do toho, koľko milisekúnd je v jednej sekunde? A nie je ich veľa a nie málo - tisíc!
- Každý turista, ktorý mohol navštíviť Londýn, určite chcel vidieť Big Ben na vlastné oči. Ale bohužiaľ, málokto vie, že Big Ben vôbec nie je veža, ale názov obrovského zvonu, ktorý váži 13 ton a zvoní vo vnútri veže.
- Zamysleli ste sa niekedy nad tým, prečo sa ručičky našich hodín pohybujú presne zľava doprava alebo ako sa hovorí „v smere hodinových ručičiek“? Táto skutočnosť priamo súvisí s tým, ako sa tieň pohybuje na slnečných hodinách.
- Úplne prvé náramkové hodinky boli vynájdené v roku 1812. Vyrobil ich zakladateľ Breguetu pre neapolskú kráľovnú.
- Pred prvou svetovou vojnou boli náramkové hodinky považované len za dámsky doplnok, no čoskoro si ich pre ich pohodlnosť vybrala aj mužská časť populácie.
Atómové hodiny sú dnes najpresnejšími prístrojmi na meranie času a stávajú sa čoraz obľúbenejšími. väčšiu hodnotu s vývojom a komplikáciami moderné technológie.
Princíp činnosti
Atómové hodiny udržujú presný čas nie kvôli rádioaktívnemu rozpadu, ako by sa mohlo zdať z ich názvu, ale pomocou vibrácií jadier a elektrónov, ktoré ich obklopujú. Ich frekvencia je určená hmotnosťou jadra, gravitáciou a elektrostatickým „vyvažovačom“ medzi kladne nabitým jadrom a elektrónmi. To sa celkom nezhoduje s bežným hodinovým strojčekom. Atómové hodiny sú spoľahlivejšími strážcami času, pretože ich výkyvy sa nemenia v závislosti od týchto faktorov. životné prostredie ako vlhkosť, teplota alebo tlak.
Evolúcia atómových hodín
V priebehu rokov si vedci uvedomili, že atómy majú rezonančné frekvencie spojené so schopnosťou každého z nich absorbovať a vyžarovať elektromagnetické žiarenie. V 30. a 40. rokoch 20. storočia boli vyvinuté vysokofrekvenčné komunikačné a radarové zariadenia, ktoré mohli interagovať s rezonančnými frekvenciami atómov a molekúl. To prispelo k myšlienke hodiniek.
Prvé kópie boli vyrobené v roku 1949 Národný inštitútštandardy a technológie (NIST). Ako zdroj vibrácií bol použitý amoniak. Neboli však oveľa presnejšie ako existujúci časový štandard a v ďalšej generácii sa použilo cézium.
nový štandard
Zmena presnosti času bola taká veľká, že v roku 1967 Všeobecná konferencia pre váhy a miery definovala sekundu SI ako 9 192 631 770 vibrácií atómu cézia na jeho rezonančnej frekvencii. To znamenalo, že čas už nesúvisel s pohybom Zeme. Najstabilnejšie atómové hodiny na svete boli vytvorené v roku 1968 a až do 90. rokov sa používali ako súčasť časového referenčného systému NIST.
Vylepšovacie auto
Jedným z najnovších pokrokov v tejto oblasti je laserové chladenie. Tým sa zlepšil pomer signálu k šumu a znížila sa neistota v hodinovom signáli. Tento chladiaci systém a ďalšie zariadenia používané na vylepšenie céziových hodín by si vyžadovali priestor veľkosti železničného vozňa, hoci komerčné možnosti sa zmestia do kufra. Jeden z týchto laboratórne zariadenia počíta čas v Boulder, Colorado, a je najviac presné hodiny na zemi. Mýlia sa iba o 2 nanosekundy za deň alebo 1 s za 1,4 milióna rokov.
Sofistikovaná technológia
Táto obrovská presnosť je výsledkom komplexu technologický postup. Najprv sa tekuté cézium vloží do pece a zahrieva sa, kým sa nepremení na plyn. Atómy kovu vychádzajú vysokou rýchlosťou cez malý otvor v peci. Elektromagnety spôsobujú, že sa rozdelia do samostatných lúčov s rôznymi energiami. Požadovaný lúč prechádza cez otvor v tvare U a atómy sú vystavené mikrovlnnej energii s frekvenciou 9 192 631 770 Hz. Vďaka tomu sú vzrušené a prechádzajú do iného energetického stavu. Magnetické pole potom odfiltruje ostatné energetické stavy atómov.
Detektor reaguje na cézium a ukazuje maximum pri správnej hodnote frekvencie. To je potrebné na nastavenie kryštálového oscilátora, ktorý riadi hodinový mechanizmus. Vydelením jeho frekvencie číslom 9.192.631.770 dostaneme jeden impulz za sekundu.
Nielen cezeň
Hoci najbežnejšie atómové hodiny využívajú vlastnosti cézia, existujú aj iné typy. Líšia sa použitým prvkom a prostriedkami na určenie zmeny úrovne energie. Ďalšími materiálmi sú vodík a rubídium. Vodíkové atómové hodiny fungujú ako céziové hodiny, ale vyžadujú nádobu so stenami zo špeciálneho materiálu, ktorý bráni tomu, aby atómy príliš rýchlo strácali energiu. Hodinky Rubidium sú najjednoduchšie a najkompaktnejšie. V nich sklenená bunka naplnená plynným rubídiom mení absorpciu svetla pri vystavení mikrovlnnej frekvencii.
Kto potrebuje presný čas?
Dnes sa čas dá počítať s extrémnou presnosťou, ale prečo je to dôležité? Toto je potrebné v systémoch ako napr mobilné telefóny, internet, GPS, letecké programy a digitálna televízia. Na prvý pohľad to nie je zrejmé.
Príkladom použitia presného času je synchronizácia paketov. cez stredná čiara komunikácia prebieha cez tisíce telefónnych hovorov. Je to možné len preto, že konverzácia sa neprenáša úplne. Telekomunikačná spoločnosť ho rozdelí na malé balíčky a niektoré informácie dokonca preskočí. Potom prechádzajú cez linku spolu s paketmi iných konverzácií a sú obnovené na druhom konci bez miešania. Systém hodín telefónnej ústredne dokáže určiť, ktoré pakety patria k danej konverzácii, podľa presného času odoslania informácie.
GPS
Ďalšou implementáciou presného času je globálny polohovací systém. Pozostáva z 24 satelitov, ktoré vysielajú svoje súradnice a čas. Dokáže sa k nim pripojiť akýkoľvek GPS prijímač a porovnávať vysielacie časy. Rozdiel umožňuje používateľovi určiť svoju polohu. Ak by tieto hodiny neboli veľmi presné, potom by systém GPS bol nepraktický a nespoľahlivý.
Hranica dokonalosti
S rozvojom technológie a atómových hodín sa začali objavovať nepresnosti vesmíru. Zem sa pohybuje nerovnomerne, čo vedie k náhodným výkyvom v dĺžke rokov a dní. V minulosti by tieto zmeny zostali nepovšimnuté, pretože nástroje na meranie času boli príliš nepresné. Na veľké zdesenie výskumníkov a vedcov sa však čas atómových hodín musí upraviť, aby sa kompenzovali anomálie. reálny svet. Sú to úžasné nástroje na napredovanie moderných technológií, no ich dokonalosť je obmedzená limitmi, ktoré stanovuje samotná príroda.
Často počujeme frázu, že atómové hodiny vždy ukazujú presný čas. Ale z ich názvu je ťažké pochopiť, prečo sú atómové hodiny najpresnejšie alebo ako fungujú.
To, že sa v názve nachádza slovo „atómový“, vôbec neznamená, že hodinky sú životu nebezpečné, aj keď myšlienky na atómovú bombu či jadrovú elektráreň okamžite napadnú. V tomto prípade hovoríme len o princípe hodín. Ak v obyčajnom mechanické hodinky vibračné pohyby sú vykonávané ozubenými kolesami a ich pohyby sa počítajú, potom sa v atómových hodinách počítajú vibrácie elektrónov vo vnútri atómov. Aby sme lepšie pochopili princíp fungovania, pripomeňme si fyziku elementárnych častíc.
Všetky látky v našom svete sa skladajú z atómov. Atómy sa skladajú z protónov, neutrónov a elektrónov. Protóny a neutróny sa navzájom spájajú a vytvárajú jadro, ktoré sa nazýva aj nukleón. Okolo jadra sa pohybujú elektróny, ktoré môžu mať rôznu energetickú hladinu. Najzaujímavejšie je, že pri pohlcovaní alebo vydávaní energie sa elektrón môže pohybovať zo svojej energetickej hladiny na vyššiu alebo nižšiu. Elektrón môže prijímať energiu z elektromagnetického žiarenia absorbovaním alebo vyžarovaním elektromagnetického žiarenia určitej frekvencie pri každom prechode.
Najčastejšie existujú hodinky, v ktorých sa používajú na zmenu atómy prvku Cézium -133. Ak za 1 sekundu kyvadlo konvenčné hodinky vykoná 1 kmitavý pohyb, potom elektróny v atómových hodinách na báze Cézia-133, pri prechode z jednej energetickej úrovne na druhú vyžarujú elektromagnetické žiarenie s frekvenciou 9192631770 Hz. Ukazuje sa, že jedna sekunda je rozdelená na presne tento počet intervalov, ak sa počíta v atómových hodinách. Táto hodnota bola oficiálne prijatá medzinárodným spoločenstvom v roku 1967. Predstavte si obrovský ciferník, kde nie je 60, ale 9192631770 dielikov, ktoré majú len 1 sekundu. Nie je prekvapujúce, že atómové hodiny sú také presné a majú množstvo výhod: atómy nestarnú, neopotrebúvajú sa a frekvencia kmitov bude vždy rovnaká pre jeden chemický prvok, vďaka čomu je možné súčasne porovnávať , napríklad, čítanie atómových hodín ďaleko vo vesmíre a na Zemi, nebojí sa chýb.
Vďaka atómovým hodinám si ľudstvo v praxi mohlo otestovať správnosť teórie relativity a presvedčiť sa, že ako na Zemi. Atómové hodiny sú inštalované na mnohých satelitoch a kozmických lodiach, používajú sa pre telekomunikačné potreby, napr mobilnej komunikácie, porovnávajú presný čas na celej planéte. Bez preháňania to bolo vďaka vynálezu atómových hodín, že ľudstvo mohlo vstúpiť do éry špičkových technológií.
Ako fungujú atómové hodiny?
Cézium-133 sa zahrieva odparovaním atómov cézia, ktoré prechádzajú magnetickým poľom, kde sa vyberajú atómy s požadovanými energetickými stavmi.
Potom vybrané atómy prechádzajú magnetickým poľom s frekvenciou blízkou 9192631770 Hz, čím vznikne kremenný oscilátor. Atómy cézia pod vplyvom poľa opäť menia svoje energetické stavy a padajú na detektor, ktorý zafixuje, keď najväčší počet padajúce atómy budú mať „správny“ energetický stav. Maximálna suma atómov so zmeneným energetickým stavom naznačuje, že frekvencia mikrovlnného poľa je zvolená správne a potom je privedená jeho hodnota elektronické zariadenie- frekvenčný delič, ktorý znížením frekvencie o celé číslo dostane číslo 1, čo je referenčná sekunda.
Atómy cézia sa teda používajú na kontrolu, či je frekvencia správna magnetické pole generované kryštálovým oscilátorom, čo pomáha udržiavať ho konštantný.
Je to zaujímavé: Hoci atómové hodiny, ktoré dnes existujú, sú bezprecedentne presné a môžu bežať bez chýb milióny rokov, fyzici sa tam nezastavia. Použitie atómov rôznych chemické prvky, neustále pracujú na zlepšovaní presnosti atómových hodín. Od najnovšie vynálezy- atómové hodiny stroncium, ktoré sú trikrát presnejšie ako ich céziový náprotivok. Trvalo by im 15 miliárd rokov, kým by zaostali len o sekundu – o čas dlhší ako vek nášho vesmíru…
Ak nájdete chybu, zvýraznite časť textu a kliknite Ctrl+Enter.
