Viti i kaluar, 2012, shënoi dyzet e pesë vjet që kur njerëzimi vendosi të përdorte matjen e kohës atomike për të matur kohën sa më saktë që të ishte e mundur. Në vitin 1967, kategoria ndërkombëtare e kohës pushoi së përcaktuari nga shkallët astronomike - ato u zëvendësuan nga standardi i frekuencës së ceziumit. Ishte ai që mori emrin tani popullor - ora atomike. Koha e saktë që ata lejojnë për të përcaktuar ka një gabim të parëndësishëm prej një sekonde për tre milionë vjet, gjë që i lejon ato të përdoren si një standard kohor në çdo cep të botës.
Pak histori
Vetë ideja e përdorimit të dridhjeve atomike për matjen ultra të saktë të kohës u shpreh për herë të parë në vitin 1879 nga fizikani britanik William Thomson. Ky shkencëtar propozoi përdorimin e hidrogjenit si një emetues i atomeve rezonatore. Përpjekjet e para për të zbatuar idenë u bënë vetëm në vitet '40. shekulli i njëzetë. Ora e parë atomike e punës në botë u shfaq në vitin 1955 në Britaninë e Madhe. Krijuesi i tyre ishte fizikani eksperimental britanik Dr. Louis Essen. Këto orë funksiononin në bazë të dridhjeve të atomeve të cezium-133 dhe falë tyre, shkencëtarët më në fund arritën të masin kohën me saktësi shumë më të madhe se më parë. Pajisja e parë e Essen lejoi një gabim jo më shumë se një sekondë për çdo njëqind vjet, por më pas u rrit shumë herë dhe gabimi për sekondë mund të grumbullohet vetëm në 2-3 qindra milion vjet.
Ora atomike: parimi i funksionimit
Si funksionon kjo "pajisje" e zgjuar? Orët atomike përdorin molekula ose atome në nivelin kuantik si gjenerator të frekuencës rezonante. vendos një lidhje midis sistemit "bërthamë atomike - elektrone" dhe disa niveleve diskrete të energjisë. Nëse një sistem i tillë ndikohet me një frekuencë të specifikuar rreptësisht, atëherë do të ndodhë një kalim i këtij sistemi nga një nivel i ulët në një nivel të lartë. Procesi i kundërt është gjithashtu i mundur: kalimi i një atomi nga një nivel më i lartë në një më të ulët, i shoqëruar nga emetimi i energjisë. Këto dukuri mund të kontrollohen dhe të gjitha kërcimet e energjisë mund të regjistrohen duke krijuar diçka si një qark oshilator (i quajtur edhe një oshilator atomik). Frekuenca e saj rezonante do të korrespondojë me diferencën e energjisë midis niveleve fqinje të tranzicionit atomik, pjesëtuar me konstantën e Planck-ut.
Një qark i tillë oscilues ka avantazhe të pamohueshme në krahasim me paraardhësit e tij mekanikë dhe astronomikë. Për një oshilator të tillë atomik, frekuenca rezonante e atomeve të çdo substance do të jetë e njëjtë, gjë që nuk mund të thuhet për lavjerrësit dhe piezokristalet. Përveç kësaj, atomet nuk i ndryshojnë vetitë e tyre me kalimin e kohës dhe nuk konsumohen. Prandaj, orët atomike janë kronometra jashtëzakonisht të saktë dhe praktikisht të përhershëm.
Koha e saktë dhe teknologjitë moderne
Rrjetet e telekomunikacionit, komunikimet satelitore, GPS, serverët NTP, transaksionet elektronike në bursë, ankandet në internet, procedura e blerjes së biletave përmes internetit - të gjitha këto dhe shumë fenomene të tjera janë vendosur fort prej kohësh në jetën tonë. Por nëse njerëzimi nuk do të kishte shpikur orët atomike, e gjithë kjo thjesht nuk do të kishte ndodhur. Koha e saktë, sinkronizimi me të cilin ju lejon të minimizoni çdo gabim, vonesë dhe vonesë, i lejon një personi të përfitojë sa më shumë nga ky burim i paçmuar i pazëvendësueshëm, nga i cili nuk ka kurrë shumë.
Shpesh dëgjojmë shprehjen se orët atomike tregojnë gjithmonë kohën e saktë. Por nga emri i tyre është e vështirë të kuptohet pse orët atomike janë më të sakta ose si funksionojnë ato.
Vetëm për shkak se emri përmban fjalën "atomike" nuk do të thotë që ora përbën rrezik për jetën, edhe nëse menjëherë vijnë në mendje mendimet për një bombë atomike ose një central bërthamor. Në këtë rast, ne po flasim vetëm për parimin e funksionimit të orës. Nëse në një orë të zakonshme mekanike lëvizjet osciluese kryhen me ingranazhe dhe lëvizjet e tyre numërohen, atëherë në një orë atomike numërohen lëkundjet e elektroneve brenda atomeve. Për të kuptuar më mirë parimin e funksionimit, le të kujtojmë fizikën e grimcave elementare.
Të gjitha substancat në botën tonë përbëhen nga atome. Atomet përbëhen nga protone, neutrone dhe elektrone. Protonet dhe neutronet bashkohen me njëri-tjetrin për të formuar një bërthamë, e cila quhet gjithashtu një nukleon. Elektronet lëvizin rreth bërthamës, e cila mund të jetë në nivele të ndryshme energjie. Gjëja më interesante është se kur thith ose lëshon energji, një elektron mund të lëvizë nga niveli i tij i energjisë në një nivel më të lartë ose më të ulët. Një elektron mund të marrë energji nga rrezatimi elektromagnetik, duke thithur ose lëshuar rrezatim elektromagnetik të një frekuence të caktuar me çdo tranzicion.
Më shpesh ka orë në të cilat atomet e elementit Cesium -133 përdoren për ndryshim. Nëse në 1 sekondë lavjerrësi orë e rregullt bën 1 lëvizje osciluese, pastaj elektronet në orët atomike bazuar në Cesium-133, kur kalojnë nga një nivel energjie në tjetrin, ato lëshojnë rrezatim elektromagnetik me një frekuencë prej 9192631770 Hz. Rezulton se një sekondë ndahet pikërisht në këtë numër intervalesh nëse llogaritet në orë atomike. Kjo vlerë u miratua zyrtarisht nga komuniteti ndërkombëtar në 1967. Imagjinoni një numërues të madh me jo 60, por 9192631770 ndarje, të cilat përbëjnë vetëm 1 sekondë. Nuk është për t'u habitur që orët atomike janë kaq të sakta dhe kanë një sërë përparësish: atomet nuk i nënshtrohen plakjes, nuk konsumohen dhe frekuenca e lëkundjeve do të jetë gjithmonë e njëjtë për një element kimik, falë të cilit është e mundur të Krahasoni në mënyrë sinkrone, për shembull, leximet e orëve atomike larg në hapësirë dhe në Tokë, pa frikë nga gabimet.
Falë orëve atomike, njerëzimi ishte në gjendje të testonte në praktikë korrektësinë e teorisë së relativitetit dhe të sigurohej që ajo është më e mirë se në Tokë. Orët atomike janë instaluar në shumë satelitë dhe anije kozmike, ato përdoren për nevoja telekomunikacioni, për komunikime celulare dhe përdoren për të krahasuar kohën e saktë në të gjithë planetin. Pa ekzagjerim, ishte falë shpikjes së orëve atomike që njerëzimi ishte në gjendje të hynte në epokën e teknologjisë së lartë.
Si funksionojnë orët atomike?
Cezium-133 nxehet duke avulluar atomet e ceziumit, të cilët kalohen përmes një fushe magnetike, ku zgjidhen atomet me gjendjet e dëshiruara energjetike.
Atomet e zgjedhura më pas kalojnë nëpër një fushë magnetike me një frekuencë afër 9192631770 Hz, e cila krijohet nga një oshilator kuarci. Nën ndikimin e fushës, atomet e ceziumit ndryshojnë përsëri gjendjet energjetike dhe bien në një detektor, i cili regjistron se kur numri më i madh i atomeve hyrëse do të ketë gjendjen "e saktë" të energjisë. Numri maksimal i atomeve me një gjendje energjie të ndryshuar tregon që frekuenca e fushës së mikrovalës është zgjedhur saktë, dhe më pas vlera e saj futet në një pajisje elektronike - një ndarës frekuence, i cili, duke reduktuar frekuencën me një numër të plotë herë, merr numri 1, i cili është referenca e dytë.
Kështu, atomet e ceziumit përdoren për të kontrolluar frekuencën e saktë të fushës magnetike të prodhuar nga oshilatori kristal, duke ndihmuar në ruajtjen e saj në një vlerë konstante.
Kjo eshte interesante: Megjithëse orët aktuale atomike janë jashtëzakonisht të sakta dhe mund të funksionojnë për miliona vjet pa gabime, fizikanët nuk do të ndalen me kaq. Duke përdorur atome të elementeve të ndryshëm kimikë, ata vazhdimisht po punojnë për të përmirësuar saktësinë e orëve atomike. Ndër shpikjet më të fundit është ora atomike stroncium, të cilat janë tre herë më të sakta se homologu i tyre i ceziumit. Për të mbetur pas vetëm një sekondë, atyre do t'u duhen 15 miliardë vjet - kohë që tejkalon moshën e Universit tonë...
Nëse gjeni një gabim, ju lutemi theksoni një pjesë të tekstit dhe klikoni Ctrl+Enter.
Isidor Rabi, një profesor i fizikës në Universitetin e Kolumbias, ka propozuar një projekt të paparë më parë: një orë që funksionon në parimin e një rreze atomike të rezonancës magnetike. Kjo ndodhi në 1945, dhe tashmë në 1949 Byroja Kombëtare e Standardeve lëshoi prototipin e parë të punës. Lexonte dridhjet e molekulës së amoniakut. Cesium hyri në përdorim shumë më vonë: modeli NBS-1 u shfaq vetëm në 1952.
Laboratori Kombëtar Fizik në Angli krijoi orën e parë me rreze cezium në vitin 1955. Më shumë se dhjetë vjet më vonë, gjatë Konferencës së Përgjithshme mbi Peshat dhe Masat, u prezantua një orë më e avancuar, e bazuar gjithashtu në dridhjet në atomin e ceziumit. Modeli NBS-4 u përdor deri në vitin 1990.
Llojet e orëve
Për momentin, ekzistojnë tre lloje të orëve atomike, të cilat punojnë afërsisht në të njëjtin parim. Orët e ceziumit, më të saktat, ndajnë atomin e ceziumit me një fushë magnetike. Ora më e thjeshtë atomike, ora rubidium, përdor gaz rubidium të mbyllur në një llambë qelqi. Dhe së fundi, ora atomike e hidrogjenit merr si pikë referimi atomet e hidrogjenit, të mbyllura në një guaskë të një materiali të veçantë - parandalon që atomet të humbasin shpejt energjinë.
Sa është ora
Në vitin 1999, Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë në SHBA (NIST) propozoi një version edhe më të avancuar të orës atomike. Modeli NIST-F1 lejon një gabim prej vetëm një sekonde çdo njëzet milionë vjet.
Më e sakta
Por fizikanët e NIST nuk u ndalën me kaq. Shkencëtarët vendosën të zhvillojnë një kronometër të ri, këtë herë të bazuar në atomet e stronciumit. Ora e re funksionon në 60% të modelit të mëparshëm, që do të thotë se humbet një sekondë jo në njëzet milionë vjet, por në pesë miliardë.
Matja e kohës
Marrëveshja ndërkombëtare ka përcaktuar frekuencën e vetme të saktë për rezonancën e një grimce ceziumi. Kjo është 9,192,631,770 herc - pjesëtimi i sinjalit të daljes me këtë numër është saktësisht i barabartë me një cikël për sekondë.
Orët atomike janë instrumentet më të sakta për matjen e kohës që ekzistojnë sot dhe po bëhen gjithnjë e më të rëndësishme ndërsa teknologjia moderne zhvillohet dhe bëhet më komplekse.
Parimi i funksionimit
Orët atomike mbajnë kohën e saktë jo për shkak të zbërthimit radioaktiv, siç mund të sugjerojë emri i tyre, por duke përdorur dridhjet e bërthamave dhe elektroneve që i rrethojnë. Frekuenca e tyre përcaktohet nga masa e bërthamës, graviteti dhe "balancuesi" elektrostatik midis bërthamës së ngarkuar pozitivisht dhe elektroneve. Kjo nuk korrespondon plotësisht me një lëvizje të rregullt të orës. Orët atomike janë ruajtës më të besueshëm të kohës sepse lëkundjet e tyre nuk ndryshojnë në varësi të faktorëve mjedisorë si lagështia, temperatura ose presioni.
Evolucioni i orëve atomike
Me kalimin e viteve, shkencëtarët kanë kuptuar se atomet kanë frekuenca rezonante që lidhen me aftësinë e secilit për të absorbuar dhe lëshuar rrezatim elektromagnetik. Në vitet 1930 dhe 1940, komunikimet me frekuencë të lartë dhe pajisjet e radarit u zhvilluan që mund të ndërlidheshin me frekuencat e rezonancës së atomeve dhe molekulave. Kjo kontribuoi në idenë e një ore.
Shembujt e parë u ndërtuan në vitin 1949 nga Instituti Kombëtar i Standardeve dhe Teknologjisë (NIST). Amoniaku u përdor si një burim vibrimi. Megjithatë, ato nuk ishin shumë më të sakta se standardi ekzistues i kohës, dhe ceziumi u përdor në gjeneratën e ardhshme.
Standard i ri
Ndryshimi në saktësinë e matjes së kohës ishte aq i madh sa në 1967 Konferenca e Përgjithshme mbi Peshat dhe Masat e përcaktoi SI të dytën si 9,192,631,770 dridhje të një atomi ceziumi në frekuencën e tij rezonante. Kjo do të thoshte se koha nuk ishte më e lidhur me lëvizjen e Tokës. Ora atomike më e qëndrueshme në botë u krijua në vitin 1968 dhe u përdor si pjesë e sistemit të matjes së kohës NIST deri në vitet 1990.
Makinë përmirësimi
Një nga përparimet më të fundit në këtë fushë është ftohja me lazer. Kjo përmirësoi raportin sinjal-zhurmë dhe zvogëloi pasigurinë në sinjalin e orës. Strehimi i këtij sistemi ftohës dhe pajisjeve të tjera të përdorura për të përmirësuar orët e ceziumit do të kërkonte hapësirë sa një makinë hekurudhore, megjithëse versionet komerciale mund të futeshin në një valixhe. Një nga këto instalime laboratorike ruan kohën në Boulder, Kolorado, dhe është ora më e saktë në Tokë. Ata gabojnë vetëm 2 nanosekonda në ditë, ose 1 sekondë në 1.4 milionë vjet.
Teknologji komplekse
Kjo saktësi e madhe është rezultat i një procesi kompleks prodhimi. Së pari, ceziumi i lëngshëm vendoset në një furrë dhe nxehet derisa të kthehet në gaz. Atomet metalike dalin me shpejtësi të madhe përmes një hapjeje të vogël në furre. Elektromagnetët bëjnë që ato të ndahen në rreze të veçanta me energji të ndryshme. Rrezja e kërkuar kalon nëpër një vrimë në formë U, dhe atomet rrezatohen me energji mikrovalore me një frekuencë prej 9,192,631,770 Hz. Falë kësaj, ata janë të ngazëllyer dhe kalojnë në një gjendje tjetër energjie. Fusha magnetike filtron më pas gjendjet e tjera energjetike të atomeve.
Detektori reagon ndaj ceziumit dhe tregon një maksimum në vlerën e saktë të frekuencës. Kjo është e nevojshme për të konfiguruar oshilatorin e kuarcit që kontrollon mekanizmin e orës. Duke pjesëtuar frekuencën e tij me 9.192.631.770 jepet një puls për sekondë.
Jo vetëm cezium
Megjithëse orët më të zakonshme atomike përdorin vetitë e ceziumit, ka lloje të tjera. Ato ndryshojnë në elementin e përdorur dhe mjetet për përcaktimin e ndryshimeve në nivelin e energjisë. Materiale të tjera janë hidrogjeni dhe rubidiumi. Orët atomike të hidrogjenit funksionojnë në mënyrë të ngjashme me orët e ceziumit, por kërkojnë një enë me mure të bërë nga një material i veçantë që parandalon që atomet të humbasin energjinë shumë shpejt. Orët Rubidium janë më të thjeshtat dhe më kompaktet. Në to, një qelizë qelqi e mbushur me gaz rubidium ndryshon thithjen e dritës kur ekspozohet ndaj frekuencës ultra të lartë.
Kush ka nevojë për kohën e saktë?
Sot, koha mund të matet me saktësi ekstreme, por pse është e rëndësishme kjo? Kjo është e nevojshme në sisteme të tilla si telefonat celularë, interneti, GPS, programet e aviacionit dhe televizioni dixhital. Në pamje të parë kjo nuk është e qartë.
Një shembull se si përdoret koha e saktë është në sinkronizimin e paketave. Mijëra thirrje telefonike kalojnë përmes linjës mesatare të komunikimit. Kjo është e mundur vetëm sepse biseda nuk transmetohet plotësisht. Kompania e telekomunikacionit e ndan atë në pako të vogla dhe madje anashkalon disa nga informacionet. Më pas ato kalojnë përmes linjës së bashku me paketat e bisedave të tjera dhe rikthehen në skajin tjetër pa u përzier. Sistemi i orës së centralit telefonik mund të përcaktojë se cilat pako i përkasin një bisede të caktuar në kohën e saktë të dërgimit të informacionit.
GPS
Një zbatim tjetër i kohës së saktë është një sistem pozicionimi global. Ai përbëhet nga 24 satelitë që transmetojnë koordinatat dhe kohën e tyre. Çdo marrës GPS mund të lidhet me ta dhe të krahasojë kohët e transmetimit. Dallimi i lejon përdoruesit të përcaktojë vendndodhjen e tyre. Nëse këto orë nuk do të ishin shumë të sakta, atëherë sistemi GPS do të ishte jopraktik dhe jo i besueshëm.
Kufiri i perfeksionit
Me zhvillimin e teknologjisë dhe orëve atomike u bënë të dukshme pasaktësitë e Universit. Toka lëviz në mënyrë të pabarabartë, duke shkaktuar ndryshime të rastësishme në gjatësinë e viteve dhe ditëve. Në të kaluarën, këto ndryshime do të kishin kaluar pa u vënë re sepse mjetet për matjen e kohës ishin shumë të pasakta. Megjithatë, për shumë zhgënjimin e studiuesve dhe shkencëtarëve, koha e orëve atomike duhet të rregullohet për të kompensuar anomalitë e botës reale. Ato janë mjete të mahnitshme që ndihmojnë në avancimin e teknologjisë moderne, por përsosmëria e tyre është e kufizuar nga kufijtë e vendosur nga vetë natyra.
Një orë atomike është një pajisje për matjen shumë të saktë të kohës. Ata morën emrin e tyre nga parimi i funksionimit të tyre, pasi vibrimet natyrore të molekulave ose atomeve përdoren si periudhë. Orët atomike kanë gjetur aplikim shumë të gjerë në navigacion, në industrinë hapësinore, për përcaktimin e vendndodhjes së satelitëve, në fushën ushtarake, për zbulimin e avionëve, si dhe në telekomunikacion.
Siç mund ta shihni, ka shumë fusha aplikimi, por pse të gjitha kanë nevojë për një saktësi të tillë, sepse sot gabimi i orëve konvencionale atomike është vetëm 1 sekondë në 30 milionë vjet? Por ka diçka edhe më të saktë. Gjithçka është e kuptueshme, sepse koha përdoret për të llogaritur distancat dhe atje një gabim i vogël mund të çojë në qindra metra, apo edhe kilometra, nëse marrim distanca kozmike. Për shembull, le të marrim sistemin amerikan të navigimit GPS kur përdorni një orë elektronike konvencionale në marrës, gabimi në matjen e koordinatave do të jetë mjaft domethënës, gjë që mund të ndikojë në të gjitha llogaritjet e tjera dhe kjo mund të çojë në pasoja kur bëhet fjalë për teknologjitë hapësinore; . Natyrisht, për marrësit GPS në pajisjet celulare dhe pajisjet e tjera, saktësia më e madhe nuk është aspak e rëndësishme.
Koha më e saktë në Moskë dhe në botë mund të gjendet në faqen zyrtare - "serveri i saktë aktual i kohës" www.timeserver.ru
Nga se përbëhen orët atomike?
Një orë atomike përbëhet nga disa pjesë kryesore: një oshilator kuarci, një diskriminues kuantik dhe njësi elektronike. Kryesorja që vendos referencën është një oshilator kuarci, i cili është ndërtuar mbi kristale kuarci dhe, si rregull, prodhon një frekuencë standarde prej 10, 5, 2.5 MHz. Meqenëse funksionimi i qëndrueshëm i kuarcit pa gabime është mjaft i vogël, ai duhet të rregullohet vazhdimisht.
Diskriminuesi kuantik regjistron frekuencën e linjës atomike dhe krahasohet në krahasuesin e fazës së frekuencës me frekuencën e oshilatorit të kuarcit. Krahasuesi ka reagime ndaj oshilatorit të kuarcit për ta rregulluar atë në rast të mospërputhjes së frekuencës.
Orët atomike nuk mund të ndërtohen mbi të gjitha atomet. Më optimali është atomi i ceziumit. I referohet atij primar me të cilin krahasohen të gjitha materialet e tjera të përshtatshme, për shembull: stroncium, rubidium, kalcium. Standardi primar është absolutisht i përshtatshëm për matjen e saktë të kohës, prandaj quhet primar.
Ora atomike më e saktë në botë
Deri më sot Ora më e saktë atomike ndodhen në MB (miratuar zyrtarisht). Gabimi i tyre është vetëm 1 sekondë në 138 milionë vjet. Ata janë standardi për standardet kombëtare të kohës së shumë vendeve, përfshirë Shtetet e Bashkuara, dhe gjithashtu përcaktojnë kohën ndërkombëtare atomike. Por mbretëria nuk përmban orët më të sakta në Tokë.
Fotografia më e saktë e orës atomike
Shtetet e Bashkuara njoftuan se kishin zhvilluar një lloj ore të saktë të bazuar në atomet e ceziumit, gabimi i tij ishte 1 sekondë në pothuajse 1.5 miliardë vjet. Shkenca në këtë fushë nuk qëndron ende dhe po zhvillohet me ritme të shpejta.
