Атомният часовник навършва 62 години

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on email

Измерването на разстояние, скорост, дори и нещо нематериалнo като звука, може по-лесно да бъде проумяно. Но времето тече по мистериозен начин и умовете ни често имат проблеми с разбирането. От време на време имаме чувството, че то лети, когато най-малко бихме искали, или че стои на едно място. Заради това е нужно точното му измерване и това е едно от най-големите очарования както по философски причини, така и по чисто научни. Най-точният от всички инструменти за измерване на време, атомният часовник съществува вече 62 години от първото си тиктакане на 3 юни 1955 г.

Ранно измерване на времето

Преди хиляди години, всичко започва с най-простите наблюдения като повторението на ден и нощ или периодичната смяна на сезоните – достатъчно лесни за проследяване. Всичко останало като седмици, месеци, часове и секунди било много по-трудно да се определи количествено точно.

По дефиниция време е безсрочен, продължителен прогрес на съществуване и събития, които се случват в привидно необратима приемственост от миналото през настоящето към бъдещето. Оперативната дефиниция за време идва от спазване на определен брой повторения на стандартно циклично събитие (като преминаването на свободно люлеещо се махало), което от своя страна представлява една стандартна единица. С други думи, за да измерваме време, ние трябва да го разделим на също толкова дълги и повтарящи се събития и след това да ги преброим. Секундата се използва, за да се определи като 1/ 86 400 от средния слънчев ден, но неправилности при въртенето на Земята правят това измерване на времето много неточно. Колкото по-точно време искаме да запазим, толкова по-малките и по-последователно повтарящи сегменти трябва да разделим. Идеята за използване на атомни преходи за измерване на времето, е предложена от Лорд Келвин през 1879 г., но от идеята до реализацията има да се извърви много дълъг път. Магнити и магнетизъм също така ще играят роля, така че ще споменем тук за Изидор Раби, който доразвита теорията за магнитния резонанс, за да подскаже за първи път през 1945 г., че атомен лъч магнитен резонанс може да се използва като основа за часовник. Първият атомен часовник идва скоро след това, когато Националното бюро за стандарти на САЩ (U.S. National Bureau of Standards – NBS, сега NIST) създава амонячен мазер през 1949 г. Мазерът е устройство, което създава кохерентни електромагнитни вълни посредством усилване, предизвикано от стимулирана емисия. Достатъчно странно, но може би не е изненадващо, че той бил по-неточен, отколкото съществуващите кварцови часовници.


РЕКЛАМА:

***

Първият практически атомен часовник на Луи Есен & Джак Пери

Британският физик Луи Есен, доктор и доктор на науките от Университета в Лондон, се интересувал от намиране на начини далеч от традиционните определения за регистриране на време, изразени по отношение на периода на въртене на Земята. Очарован от възможността за използване на честотата на атомните спектри за подобряване измерването на времето, той научил за възможността за измерване на времето с помощта на цезий, свързан с атомната препратка, демонстрирана преди това от NBS. През 1955 г. в сътрудничество с Джак Пери, той развива първия практически атомен часовник, като интегрира цезиев атомен стандарт с конвенционален кварцов осцилатор, за да се даде възможност за калибриране отчетността на времето. С помощта на микровълни, за да се възбудят електроните в атомите на цезия от едно енергийно ниво на друго, Есен могъл да стабилизира микровълните в точна и възпроизводима честота. Подобно като люлеенето на махалото, прототипът на атомния часовник на Есен се позовава на тази честота, за да следи хода на времето.

Щастливото число: 9,192,631,770

От 1967 г., Международната система единици (International System of Units – SI) дефинира секундата като продължителността на 9 192 631 770 (накратко: над 9  билиона) цикли на радиация, съответстващи на прехода между две енергийни нива на цезий-133 атом. През 1997 г. CIPM добавят, че предишната дефиниция се отнася до цезиев атом в покой при температура от 0 К. Комплексните начини, по които атомният часовник работи, са невъзможни за описване, без това да звучи прекалено научно. Основното, което трябва да се знае е, че часовникът разчита на забележително устойчиво „гъмжило” от атомни частици, електронен осцилатор, който работи на микровълнова честота, както и честотно определящи части. Атомите в състояние А преминават през резонатор, където микровълнова радиация кара някои от атомите да се променят в състояние Б. Зад резонатора атомите, които все още са в състояние А, се отстраняват от второ магнитно поле. В края, детектор брои всички атоми, променени в състояние Б. Процентът от атоми, които променят своето състояние при преминаване през резонатора зависи от честотата на микровълновата радиация, така работата на атомния часовник е да синхронизира тази честота с присъщата осцилираща честота на атомите. Целта е перфектно да се настроят двете честоти, а след това да се измерят. След точно 9 192 631 770 трептения, една секунда е изтекла. Това дава на света „Цезиевия стандарт”, където определенията на други физични единици (волт, метър и т.н.) разчитат на определението за секундата. Ако се чудите как един метър може да се определи чрез секундата, ето как: един метър се дефинира като дължината на пътя, изминат от светлината във вакуум в 1 / 299,792,458 секунди. За да се определи това, трябва да се знае много точно определение колко дълго трае една секунда.

300 000 пъти по-голяма точност

Точността на атомните часовници непрекъснато се подобрява с коефициент от около 10 на всяко десетилетие. Най-забележително подобрение в точността на цезиевите часовници е постигнато чрез т.нар. цезиеви фонтани. Първичният часовник на Британската национална физична лаборатория (British National Physical Laboratory –  NPL) е цезиевия фонтан NPL CSF2, който допринася за генериране на международната UTC времева скала, а оттам и за отправна точка при националната времева скала UTC във Великобритания. Той е повече от 300 000 пъти по-точен, отколкото оригиналния часовник на Есен, който сега се помещава в Музея на науката в Лондон.

Сега с точност до +/- 1 секунда на билион години

Напредъкът в технологиите не може да бъде спрян, така че учени и инженери постоянно преминават границите на времевите постижения. Повечето атомни часовници все още не са така прецизни, тъй като могат да натрупат грешка от около една наносекунда на повече от месец – не достатъчно добър показател за учените в тази сфера. Решението идва под формата на така наречените „оптични часовници”. Те използват атоми или йони, които осцилират около 100 000 пъти по-високо от микровълновите честоти на атомните часовници. Това означава по-голяма стабилност и по-добро представяне във времето.

Как атомните часовници помагат за подобряване на нашето ежедневие

Днес около 400 атомни часовника по целия свят, взаимосвързани чрез сателит, помагат да се запазите световното време точно. Може би най-важното приложение е в Глобалната навигационна спътникова система (или GPS). Подобно на много други технологични постижения, повечето от нас приемат това за даденост, но всъщност технологията е невероятна. Все пак, без да знаят точното време във всеки един момент, нашите телефони и коли няма да ни покажат пътя. GPS приемникът работи чрез измерване на относителното времево забавяне на сигнали от минимум четири, но обикновено повече GPS сателити, всеки от които има най-малко два цезиеви и два рубидиеви атомни часовници на борда. Относителните времена математически се трансформират в три абсолютни пространствени координати и един абсолютен времеви координат. Ето защо телефонът и автомобилът синхронизират точно време с GPS предаватели и защо GPS часовниците могат да бъдат толкова невероятно точни.

Да знаем времето с изключително висока точност е една от основите на съвременните ни живот. Банковото дело и всичко във финансовия сектор, комуникациите, авиацията, корабоплаването, телефонните разговори и интернет, всички силно разчитат на устройства, работещи в синхронизирано време. От самата зора на цивилизацията, следенето хода на времето е от съществено значение, така че честит 62-ри рожден ден на атомния часовник –  най-точният часовник в света.

 

Автор: ProTime-Bg.com

https://www.protime-bg.com/