Atómové hodiny 27. januára 2016
Švajčiarsko a dokonca ani Japonsko nebude rodiskom prvých vreckových hodiniek na svete so zabudovaným atómovým časomierou. Myšlienka ich vytvorenia vznikla v srdci Veľkej Británie od londýnskej značky Hoptroff
Atómové, alebo ako sa tiež nazývajú „kvantové hodiny“, je zariadenie, ktoré meria čas pomocou prirodzených vibrácií spojených s procesmi prebiehajúcimi na úrovni atómov alebo molekúl. Richard Hoptroff sa rozhodol, že je čas, aby moderní páni, ktorí sa zaujímajú o high-tech zariadenia, vymenili vrecko mechanické hodinky k niečomu extravagantnejšiemu a výnimočnejšiemu a tiež v súlade s modernými mestskými trendmi.
Publikum sa teda ukázalo svojim spôsobom elegantné. vzhľad Vreckové atómové hodiny Hoptroff č. 10, ktorý modernú generáciu zlákanú množstvom vychytávok dokáže prekvapiť nielen retro štýlom a fantastickou presnosťou, ale aj životnosťou. Podľa vývojárov, ak budete mať tieto hodinky so sebou, budete môcť zostať tým najpresnejším človekom najmenej 5 miliárd rokov.
Čo zaujímavé sa o nich ešte dozviete...
Fotografia 2. 
Pre všetkých, ktorí sa o takéto hodinky nikdy nezaujímali, stojí za to stručne popísať princíp ich fungovania. Vo vnútri „atómového zariadenia“ nie je nič, čo by pripomínalo klasické mechanické hodinky. V Hoptroff č. 10 neexistujú žiadne mechanické časti ako také. Namiesto toho sú atómové vreckové hodinky vybavené utesnenou komorou naplnenou rádioaktívnou plynnou látkou, ktorej teplota je riadená špeciálnou pecou. Presné načasovanie je nasledovné: lasery excitujú atómy chemický prvok, ktorý je akousi „výplňou“ hodín a rezonátor zachytáva a meria každý atómový prechod. Dnes je základným prvkom takýchto zariadení cézium. Ak si spomenieme na sústavu jednotiek SI, tak v nej je hodnota sekundy spojená s počtom periód elektromagnetického žiarenia počas prechodu atómov cézia-133 z jednej energetickej úrovne na druhú.
Fotka 3. 
Ak je v smartfónoch procesorový čip považovaný za srdce zariadenia, potom v Hoptroff č. 10 túto úlohu preberá modul-generátor referenčného času. Dodáva ho spoločnosť Symmetricom a samotný čip bol pôvodne zameraný na použitie vo vojenskom priemysle – v bezpilotných lietadlách.
Atómové hodiny CSAC sú vybavené teplotne riadeným termostatom obsahujúcim céziovú parnú komoru. Vplyvom laseru na atómy cézia-133 začína ich prechod z jedného energetického stavu do druhého, na čo sa používa mikrovlnný rezonátor na jeho meranie. Od roku 1967 Medzinárodná sústava jednotiek (SI) definovala jednu sekundu ako 9 192 631 770 periód elektromagnetického žiarenia vznikajúceho pri prechode medzi dvoma hyperjemnými úrovňami základného stavu atómu cézia-133. Na základe toho si ťažko predstaviť technicky presnejšie hodinky na báze cézia. V priebehu času, s nedávnym pokrokom v meraní času, budú nové optické hodiny založené na hliníkovom ióne pulzujúcom na ultrafialovej frekvencii (100 000-násobok mikrovlnných frekvencií céziových hodín) stokrát presnejšie ako atómové chronometre. Rozprávanie v jednoduchom jazyku, Nové vreckové hodinky Hoptroff č. 10 majú presnosť 0,0015 sekundy za rok, čo je 2,4 miliónkrát lepšie ako štandardy COSC.
Fotografia 4. 
Na hranici fantázie je aj funkčná stránka zariadenia. S ním môžete zistiť: čas, dátum, deň v týždni, rok, zemepisnú šírku a dĺžku rôzne hodnoty, tlak, vlhkosť, hviezdne hodiny a minúty, predpoveď prílivu a odlivu a mnoho ďalších ukazovateľov. Hodinky sa dodávajú v zlate a na vytvorenie puzdra z drahého kovu sa plánuje použiť 3D tlač.
Richard Hoptrof úprimne verí, že práve táto produkčná možnosť pre jeho potomkov je najvýhodnejšia. Ak chcete mierne zmeniť konštrukčnú zložku konštrukcie, nebude potrebné vôbec prestavať výrobná linka, ale využiť na to funkčnú flexibilitu 3D tlačového zariadenia. Je pravda, že stojí za zmienku, že zobrazený prototyp hodiniek bol vyrobený klasickým spôsobom.
Fotografia 5. 
Čas je v dnešnej dobe veľmi vzácny a vreckové hodinky Hoptroff č. 10 je toho priamym potvrdením. Podľa predbežných informácií bude prvá várka jadrových zariadení 12 kusov a čo sa týka nákladov, cena za 1 kópiu bude 78 000 dolárov.
Fotografia 6. 
Podľa Richarda Hoptroffa, výkonného riaditeľa značky, Hoptroffova londýnska rezidencia zohrala kľúčovú úlohu v myšlienke. „V našich strojčekoch quartz používame vysoko presný oscilačný systém so signálom GPS. Ale v centre Londýna nie je také ľahké zachytiť práve tento signál. Raz, počas výletu do observatória v Greenwichi, som tam videl atómové hodiny Hewlett Packard a rozhodol som sa kúpiť si niečo podobné cez internet. A ja som nemohol. Namiesto toho som narazil na informácie o čipe Symmetricon a po troch dňoch premýšľania som si uvedomil, že by bol ideálny pre vreckové hodinky.“
Predmetným čipom sú céziové atómové hodiny SA.45s (CSAC), prvá generácia miniatúrnych atómových hodín pre prijímače GPS, rádioprijímače a drony. Napriek svojim skromným rozmerom (40 mm x 34,75 mm), v náramkové hodinky je stále nepravdepodobné, že sa zmestí. Preto sa Hoptroff rozhodol vybaviť nimi pomerne solídny vreckový model (priemer 82 mm).
Okrem toho, že sú to najpresnejšie hodinky na svete, Hoptroff No 10 (desiaty strojček značky) sa hlási aj k prvému zlatému puzdru vyrobenému technológiou 3D tlače. Hoptroff si ešte nie je istý, koľko zlata bude potrebné na výrobu puzdra (práca na prvom prototype bola dokončená, keď sa vydanie dostalo do tlače), ale naznačuje, že jeho cena bude „minimálne niekoľko tisíc libier“. A to vzhľadom na celý objem vedecký výskum potrebné na vývoj produktu (spomeňte si na funkciu harmonického prílivu a odlivu pre 3 000 rôznych portov), môžeme očakávať, že jeho konečná maloobchodná cena bude okolo 50 000 libier.
Zlaté puzdro modelu č.10 pri výstupe z 3D tlačiarne a v hotovej podobe
Kupujúci sa automaticky stávajú členmi exkluzívneho klubu a budú musieť podpísať písomný záväzok nepoužívať čip atómových hodín ako zbraň. "Toto je jedna z podmienok našej zmluvy s dodávateľom," vysvetľuje pán Hoptroff, "pretože atómový čip sa pôvodne používal v systémoch navádzania rakiet." Nie je to veľa na to, aby ste mohli získať hodinky s dokonalou presnosťou.
Šťastní majitelia No.10 od Hoptroff dostanú oveľa viac ako len vysoko presné hodiny. Model plní aj funkciu vreckového navigačného zariadenia, ktoré umožňuje určiť zemepisnú dĺžku s presnosťou na jednotku námorná míľa aj po mnohých rokoch na mori s jednoduchým sextantom. Model dostane dva ciferníky, no dizajn jedného z nich je zatiaľ utajený. Druhou je kolotoč počítadiel zobrazujúcich až 28 komplikácií: od všetkých možných chronometrických funkcií a ukazovateľov kalendára až po kompas, teplomer, vlhkomer (prístroj na meranie vlhkosti), barometer, počítadlo zemepisnej šírky a dĺžky a ukazovateľ vysokej / odliv. A to nehovoríme o životne dôležitých ukazovateľoch stavu atómového termostatu.
Hoptroff plánuje uviesť na trh množstvo nových produktov, vrátane elektronickej verzie legendárnych komplikovaných hodiniek Space Traveler od Georgea Danielsa. V súčasnosti sa pracuje na integrácii technológie Bluetooth do hodiniek na ukladanie osobných informácií nositeľa a umožnenie automatického prispôsobenia komplikácií, ako je zobrazenie fázy mesiaca.
Prvé kópie No.10 sa objavia v ďalší rok, no zatiaľ spoločnosť hľadá vhodných partnerov medzi obchodníkmi. „Určite by sme sa ho mohli pokúsiť predať online, ale toto je prémiový model, takže ho stále musíte držať v rukách, aby ste ho ocenili. To znamená, že naďalej budeme musieť využívať služby predajcov a sme pripravení začať rokovania,“ uzatvára pán Hoptroff.
A dokonca Pôvodný článok je na webe InfoGlaz.rf Odkaz na článok, z ktorého je táto kópia vytvorená -
Isidore Rabi, profesor fyziky na Kolumbijskej univerzite, navrhol doposiaľ nevídaný projekt: hodiny, ktoré fungujú na princípe atómového lúča magnetickej rezonancie. Stalo sa to v roku 1945 a už v roku 1949 Národný úrad pre normy vydal prvý funkčný prototyp. Číta vibrácie molekuly amoniaku. Cézium vstúpilo do podnikania oveľa neskôr: model NBS-1 sa objavil až v roku 1952.
Národné fyzikálne laboratórium v Anglicku vytvorilo prvé céziové hodiny v roku 1955. O viac ako desať rokov neskôr, počas Generálnej konferencie pre váhy a miery, boli predstavené pokročilejšie hodiny, tiež založené na vibráciách v atóme cézia. Do roku 1990 sa používal model NBS-4.
Typy hodiniek
Na tento moment Existujú tri typy atómových hodín, ktoré fungujú na približne rovnakom princípe. Céziové hodiny, najpresnejšie, rozdeľujú atóm cézia magnetické pole. Najjednoduchšie atómové hodiny, rubídiové hodiny, používajú rubídiový plyn uzavretý v sklenenej banke. A nakoniec, vodíkové atómové hodiny berú ako referenčný bod atómy vodíka uzavreté v obale špeciálny materiál- nedovoľuje atómom rýchlo strácať energiu.
Koľko je teraz hodín
V roku 1999 Národný inštitút US Standards and Technology (NIST) navrhli ešte pokročilejšiu verziu atómových hodín. Model NIST-F1 má chybu len jednu sekundu za dvadsať miliónov rokov.
Najpresnejšie
Fyzici NIST tam však neskončili. Vedci sa rozhodli vyvinúť nový chronometer, tentoraz založený na atómoch stroncia. Nové hodinky bežia na 60 % predchádzajúceho modelu, čo znamená, že jednu sekundu strácajú nie za dvadsať miliónov rokov, ale až za päť miliárd.
Meranie času
Medzinárodná dohoda určila jedinú presnú frekvenciu rezonancie céznej častice. To je 9 192 631 770 hertzov - vydelením výstupného signálu týmto číslom získate presne jeden cyklus za sekundu.
V 21. storočí sa satelitná navigácia vyvíja rýchlym tempom. Môžete určiť polohu akýchkoľvek objektov, ktoré sú nejakým spôsobom spojené so satelitmi, či už ide o mobilný telefón, auto alebo kozmickú loď. Nič z toho by sa však nedalo dosiahnuť bez atómových hodín.
Tieto hodinky sa tiež používajú v rôznych telekomunikáciách, napríklad v mobilnej komunikácie.Ide o najpresnejšie hodinky, aké kedy boli, sú a budú. Bez nich by sa internet nesynchronizoval, nepoznali by sme vzdialenosť k iným planétam a hviezdam atď.
V hodinách sa za sekundu odoberie 9 192 631 770 periód elektromagnetického žiarenia, ktoré sa vyskytli pri prechode medzi dvoma energetickými hladinami atómu cézia-133. Takéto hodiny sa nazývajú céziové hodiny. Ale toto je len jeden z troch typov atómových hodín. Existujú aj vodíkové a rubídiové hodiny. Najčastejšie sa však používajú céziové hodiny, preto sa nebudeme pozastavovať nad inými typmi.
Ako fungujú céziové atómové hodiny
Laser ohrieva atómy izotopu cézia a v tomto čase vstavaný rezonátor registruje všetky prechody atómov. A ako už bolo spomenuté, po dosiahnutí 9 192 631 770 prechodov sa počíta jedna sekunda.
Laser zabudovaný v puzdre hodiniek zahrieva atómy izotopu cézia. V tomto čase rezonátor registruje počet prechodov atómov na novú energetickú hladinu. Keď sa dosiahne určitá frekvencia, konkrétne 9 192 631 770 prechodov (Hz), počíta sa sekunda na základe medzinárodného systému SI.
Použitie v satelitnej navigácii
Proces určenia presnej polohy objektu pomocou satelitu je veľmi náročný. Zapojených je do toho viacero satelitov, konkrétne viac ako 4 na jeden prijímač (napríklad GPS navigátor v aute).
Každý satelit má vysoko presné atómové hodiny, satelitný rádiový vysielač a generátor digitálneho kódu. Rádiový vysielač posiela na Zem digitálny kód a informácie o satelite, konkrétne parametre obežnej dráhy, model atď.
Hodiny určujú, ako dlho trvá, kým sa tento kód dostane k prijímaču. Pri znalosti rýchlosti šírenia rádiových vĺn sa teda vypočíta vzdialenosť k prijímaču na Zemi. Na to ale jeden satelit nestačí. Moderné GPS prijímače dokážu prijímať signály z 12 satelitov súčasne, čo umožňuje určiť polohu objektu s presnosťou na 4 metre. Mimochodom, stojí za zmienku, že navigátory GPS nevyžadujú predplatné.
Vedeckým svetom sa rozšírila senzácia – čas sa z nášho Vesmíru vyparuje! Zatiaľ ide len o hypotézu španielskych astrofyzikov. Ale to, že tok času na Zemi a vo vesmíre je rozdielne, už dokázali vedci. Čas pod vplyvom gravitácie plynie pomalšie a zrýchľuje sa, keď sa vzďaľujete od planéty. Úlohu synchronizácie pozemského a kozmického času vykonávajú vodíkové frekvenčné štandardy, ktoré sa tiež nazývajú "atómové hodiny".
najprv atómový čas sa objavili spolu s nástupom astronautiky, v polovici 20. rokov sa objavili atómové hodiny. Teraz sa atómové hodiny stali samozrejmosťou, každý z nás ich používa každý deň: pracujú s digitálnou komunikáciou, GLONAS, navigáciou a dopravou.
Vlastníci mobilné telefóny sotva premýšľať o čom ťažká práca vo vesmíre sa vykonáva pre tesnú synchronizáciu času, ale hovoríme len o milióntinách sekundy.
Norma presného času je uložená v Moskovskom regióne vo Vedeckom inštitúte fyzikálno-technických a rádiotechnických meraní. Na svete je 450 takýchto hodiniek.
Monopolistom atómových hodín je Rusko a USA, ale v USA hodiny fungujú na báze cézia, rádioaktívneho kovu, ktorý je veľmi škodlivý pre životné prostredie, a v Rusku na báze vodíka, bezpečnejšieho odolného materiálu.
Tieto hodinky nemajú ciferník a ručičky: vyzerajú ako veľký sud vyrobený zo vzácnych a cenných kovov, naplnený najviac pokročilé technológie- vysoká presnosť meracie prístroje a vybavenie s atómovými štandardmi. Proces ich tvorby je veľmi dlhý, zložitý a prebieha v podmienkach absolútnej sterility.
Už 4 roky študujú hodiny nainštalované na ruskom satelite temnú energiu. Podľa ľudských štandardov strácajú presnosť o 1 sekundu za mnoho miliónov rokov.
Čoskoro budú na vesmírnom observatóriu Spektr-M nainštalované atómové hodiny, ktoré uvidia, ako sa tvoria hviezdy a exoplanéty, nahliadnuť cez okraj čierna diera v strede našej galaxie. Podľa vedcov tu kvôli obludnej gravitácii plynie čas tak pomaly, že sa takmer zastaví.
tvroscosmos
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.
takže, atómové hodiny, jedným z presných typov hodín je zariadenie na meranie času, kde sa ako kyvadlo využívajú prirodzené kmity atómov alebo molekúl. Stabilita atómových hodín je najlepšia zo 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. Dlho 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 činnosť 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 hodinky 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 zlomkov sekundy za deň. Náklady na rekordne malé atómové hodiny Symmetricom boli približne 1 500 dolárov.
