Atom saatleri: tarih ve modernlik. Atom saati

Atomik reaktörler ve elektronik kristaller Konstantin Chilovsky (d. 1881), Rus mühendis, mucit. Birinci Dünya Savaşı sırasında (1914–1918) yaygın olarak kullanılan, denizaltıları tespit etmek için bir cihaz icat etti. Buluşu nedeniyle Fransız Nişanı'na layık görüldü.

Evinizdeki saatlerin farklı saatleri gösterdiğini hiç fark ettiniz mi? Peki tüm seçeneklerden hangisinin doğru olduğunu nasıl anlarsınız? Tüm bu soruların cevaplarını atom saatlerinin çalışma prensibini detaylı bir şekilde inceleyerek öğreneceğiz.

Atom saati: tanımı ve çalışma prensibi

Öncelikle atom saati mekanizmasının ne olduğunu anlayalım. Atom saati, zamanın ölçüldüğü bir cihazdır, ancak sürecin periyodikliği olarak kendi titreşimlerini kullanır ve her şey atomik ve moleküler düzeyde gerçekleşir. Dolayısıyla bu kadar kesinlik.

Atom saatlerinin en doğru saat olduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz! Onlar sayesinde dünyada İnternet ve GPS navigasyonu çalışıyor; güneş sistemindeki gezegenlerin tam yerini biliyoruz. Bu cihazın hatası o kadar az ki, dünya standartlarında olduklarını rahatlıkla söyleyebiliriz! Atom saati sayesinde tüm dünya senkronizasyonu gerçekleşir; bazı değişikliklerin nerede olduğu bilinir.

Bu mucize saati kim icat etti, kim yarattı ve kim icat etti?

Yirminci yüzyılın kırklı yıllarının başlarında, manyetik rezonansın atomik ışını biliniyordu. Başlangıçta uygulamanın saatlerle hiçbir ilgisi yoktu; yalnızca bir teoriydi. Ancak 1945'te Isidor Rabi, konsepti yukarıda açıklanan tekniğe göre çalışacak olan bir cihaz yaratmayı önerdi. Ancak doğru sonuçlar vermeyecek şekilde tasarlanmışlardı. Ve zaten 1949'da, Ulusal Standartlar Bürosu, amonyağın moleküler bileşiklerine dayanan ilk atom saatinin yaratılışını tüm dünyaya bildirdi ve 1952'de sezyum atomlarına dayalı bir prototip oluşturma teknolojilerinde ustalaştı.

Amonyak ve sezyum atomlarını duyduktan sonra şu soru ortaya çıkıyor: Bu harika saat radyoaktif mi? Cevap açık: hayır! İçlerinde atomik bozunma yoktur.

Günümüzde atom saatlerinin yapıldığı birçok malzeme bulunmaktadır. Örneğin bu silikon, kuvars, alüminyum ve hatta gümüştür.

Cihaz nasıl çalışır?

Atom enerjisi saatinin neye benzediğini ve nasıl çalıştığını anlayalım. Bunu yapmak için çalışmalarının bir tanımını sunuyoruz:

Bu özel saatin doğru çalışması için ne bir sarkaca ne de kuvars osilatörüne ihtiyaç vardır. Tek bir elektronun bir atomun iki enerji seviyesi arasındaki kuantum geçişinden kaynaklanan sinyalleri kullanırlar. Sonuç olarak elektromanyetik dalgayı gözlemleyebiliyoruz. Başka bir deyişle, sık sık dalgalanmalar ve ultra yüksek düzeyde sistem kararlılığı elde ediyoruz. Her yıl yeni keşifler nedeniyle süreçler modernize edilmektedir. Kısa bir süre önce Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nden (NIST) uzmanlar rekor sahibi oldular ve mutlak bir dünya rekoru kırdılar. Atom saatinin doğruluğunu (stronsiyuma dayalı) en az sapmaya, yani 15 milyar yılda bir saniyenin geçmesine getirmeyi başardılar. Evet, evet, öyle düşünmediniz, bu tam olarak şu anda Evrenimize atanan yaş. Bu devasa bir keşif! Sonuçta bu kayıtta en önemli rolü oynayan stronsiyumdu. "Tık"ın bir benzeri, bilim adamlarının bir lazer kullanarak yarattığı uzaysal kafesteki hareketli stronsiyum atomlarıydı. Bilimde her zaman olduğu gibi, teoride her şey büyüleyici ve zaten gelişmiş görünüyor, ancak böyle bir sistemin istikrarsızlığı pratikte daha az keyif verici olabilir. Sezyum cihazının dünya çapında popülerlik kazanması tam da istikrarsızlığı nedeniyledir.

Şimdi böyle bir cihazın nelerden oluştuğuna bakalım. Buradaki ana ayrıntılar şunlardır:

• kuantum ayırıcı;
• kuvars jeneratörü;
• elektronik.

Kuvars osilatör, kendi kendine osilatöre benzer, ancak rezonans elemanı üretmek için kuvars kristalinin piezoelektrik modlarını kullanır.

Bir kuantum ayırıcıya ve bir kuvars osilatöre sahip olarak, frekanslarının etkisi altında karşılaştırılırlar ve bir fark tespit edildiğinde, geri besleme devresi, kuvars osilatörün gerekli değere ayarlanmasını ve kararlılığı ve doğruluğu artırmasını gerektirir. Sonuç olarak, çıktıda kadrandaki tam değeri ve dolayısıyla tam zamanı görüyoruz.

İlk modellerin boyutları oldukça büyüktü, ancak Ekim 2013'te Bathys Hawaii şirketi minyatür bir atomik kol saati piyasaya sürerek büyük bir sıçrama yaptı. İlk başta herkes bu açıklamayı şaka olarak algıladı, ancak kısa süre sonra bunun gerçekten doğru olduğu anlaşıldı ve öyle de oldu. Sezyum 133 atom kaynağı temelinde çalışır. Cihazın güvenliği, radyoaktif elementin özel bir kapsül içinde gaz halinde bulunmasıyla sağlanır. Bu cihazın bir fotoğrafı tüm dünyaya yayıldı.

Atom saatleri konusuyla ilgilenen pek çok kişi güç kaynağı konusuyla ilgilenmektedir. Pil olarak lityum iyon pil kullanılır. Ancak ne yazık ki böyle bir pilin ne kadar dayanacağı henüz bilinmiyor.

BathysHawaii'nin saati gerçekten de ilk atomik kol saatiydi. Daha önce, nispeten taşınabilir bir cihazın piyasaya sürülmesiyle ilgili bilinen durumlar vardı, ancak ne yazık ki atomik bir güç kaynağına sahip değildi, yalnızca kablosuz radyo aracılığıyla gerçek boyutlu bir saatle senkronize ediliyordu. Böyle bir gadget'ın maliyetinden de bahsetmeye değer. Zevkin değeri 12 bin ABD doları olarak belirlendi. Böyle bir fiyata saatin geniş bir popülerlik kazanamayacağı açıktı, ancak şirket bunu çok sınırlı bir partide piyasaya sürdüğü için bunun için çabalamadı.

Birkaç tür atom saatini biliyoruz. Tasarımlarında ve ilkelerinde önemli bir fark yoktur, ancak yine de bazı farklılıklar vardır. Yani asıl olanlar, değişiklikleri ve bunların unsurlarını bulma araçlarıdır. Aşağıdaki saat türleri ayırt edilebilir:

1. Hidrojen. Özleri, hidrojen atomlarının gerekli enerji seviyesinde desteklenmesinde yatmaktadır, ancak duvarlar özel bir malzemeden yapılmıştır. Buna dayanarak, enerji durumlarını çok hızlı bir şekilde kaybedenlerin hidrojen atomları olduğu sonucuna vardık.
2. Sezyum. Sezyum kirişlerine dayanıyorlar. Bu saatlerin en doğru olduğunu belirtmekte fayda var.
3. Rubidyum. Bunlar en basit ve çok kompakttır.

Daha önce de belirtildiği gibi atom saatleri çok pahalı bir alettir. Böylece Hoptroff 10 numaralı cep saati, yeni nesil oyuncakların parlak bir temsilcisidir. Bu kadar şık ve çok hassas bir aksesuarın fiyatı ise 78 bin dolar. Sadece 12 kopya üretildi. Bu cihazın mekanizması, aynı zamanda bir GPS sinyali ile donatılmış, yüksek frekanslı bir salınım sistemi kullanır.

Şirket bununla da yetinmedi ve saatin onuncu versiyonunda, popüler bir 3D yazıcıda basılacak mekanizmayı altın kasaya yerleştirme yöntemini kullanmak istiyor. Kasanın bu versiyonu için tam olarak ne kadar altın kullanılacağı henüz hesaplanmadı, ancak bu şaheserin tahmini perakende fiyatı zaten biliniyordu - yaklaşık 50 bin sterlin idi. Ve bu, tüm araştırma hacimlerinin yanı sıra gadget'ın yeniliğini ve benzersizliğini de hesaba katmasına rağmen nihai fiyat değil.

Saatlerin kullanımına ilişkin tarihsel gerçekler

Kendileriyle ve genel olarak zamanla ilişkili en ilginç gerçeklerden bahsetmeden atom saatlerinden nasıl bahsedebiliriz:

1. En eski güneş saatinin eski Mısır'da bulunduğunu biliyor muydunuz?
2. Atom saatlerinin hatası minimum düzeydedir; 6 milyon yılda yalnızca 1 saniyedir.
3. Herkes bir dakikanın 60 saniye olduğunu bilir. Ancak çok az kişi bir saniyede kaç milisaniye olduğunu araştırdı? Ve ne çok var, ne de azı - bin!
4. Londra'yı ziyaret etme şansına sahip olan her turist, Big Ben'i her zaman kendi gözleriyle görmek isterdi. Ancak ne yazık ki Big Ben'in aslında bir kule olmadığını, kulenin içinde çalan 13 ton ağırlığındaki devasa bir çanın adı olduğunu pek çok kişi bilmiyor.
5. Saatlerimizin akrep ve yelkovanının neden soldan sağa veya eskiden söylediğimiz gibi "saat yönünde" gittiğini hiç merak ettiniz mi? Bu gerçek, gölgenin güneş saatindeki hareketiyle doğrudan ilgilidir.
6. İlk kol saatleri 1812'de icat edildi. Breguet'nin kurucusu tarafından Napoliten Kraliçesi için yapıldı.
7. Birinci Dünya Savaşı'ndan önce kol saatleri yalnızca kadın aksesuarı olarak görülüyordu, ancak kısa süre sonra kolaylıkları nedeniyle nüfusun erkek kesimi tarafından da tercih edildi.

Columbia Üniversitesi'nden fizik profesörü Isidor Rabi, daha önce hiç görülmemiş bir proje önerdi: atomik manyetik rezonans ışınının prensibiyle çalışan bir saat. Bu 1945'te gerçekleşti ve 1949'da Ulusal Standartlar Bürosu ilk çalışan prototipi yayınladı. Amonyak molekülünün titreşimlerini okuyor. Sezyum çok daha sonra kullanıma girdi: NBS-1 modeli yalnızca 1952'de ortaya çıktı.

İngiltere'deki Ulusal Fizik Laboratuvarı 1955'te ilk sezyum ışın saatini yarattı. On yıldan fazla bir süre sonra, Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı sırasında, yine sezyum atomundaki titreşimleri temel alan daha gelişmiş bir saat sunuldu. Model NBS-4 1990 yılına kadar kullanıldı.

Saat türleri

Şu anda yaklaşık olarak aynı prensipte çalışan üç tip atom saati bulunmaktadır. Sezyum saatleri, en doğru olanı, sezyum atomunu manyetik bir alanla ayırır. En basit atom saati olan rubidyum saati, cam bir ampul içerisine yerleştirilmiş rubidyum gazını kullanır. Ve son olarak, hidrojen atom saati, özel bir malzemeden yapılmış bir kabuk içinde kapalı olan hidrojen atomlarını referans noktası olarak alır - atomların hızlı bir şekilde enerji kaybetmesini önler.

Saat kaç

1999 yılında ABD Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST), atom saatinin daha da gelişmiş bir versiyonunu önerdi. NIST-F1 modeli her yirmi milyon yılda bir yalnızca bir saniyelik hataya izin verir.

En doğru

Ancak NIST fizikçileri burada durmadı. Bilim insanları bu kez stronsiyum atomlarını temel alan yeni bir kronometre geliştirmeye karar verdi. Yeni saat, önceki modele göre %60 oranında çalışıyor; bu da, yirmi milyon yılda değil, beş milyar yılda bir saniye kaybettiği anlamına geliyor.

Ölçüm süresi

Uluslararası anlaşma, bir sezyum parçacığının rezonansı için tek kesin frekansı belirledi. Bu 9,192,631,770 hertz'dir - çıkış sinyalini bu sayıya bölmek tam olarak saniyede bir döngüye eşittir.

Atom fizikçileri, zamanı ölçen cihazların geliştirilmesine yeni bir ivme kazandırdı.

1949'da, salınımların kaynağının bir sarkaç veya kuvars osilatörü değil, bir atomun iki enerji seviyesi arasındaki bir elektronun kuantum geçişiyle ilişkili sinyaller olduğu ilk atom saati inşa edildi.

Uygulamada, bu tür saatlerin pek doğru olmadığı, ayrıca hantal ve pahalı oldukları ve yaygın olarak kullanılmadıkları ortaya çıktı. Daha sonra sezyum kimyasal elementine dönmeye karar verildi. Ve 1955'te sezyum atomlarına dayanan ilk atom saatleri ortaya çıktı.

1967 yılında Dünya'nın dönüşünün yavaşlaması ve bu yavaşlamanın büyüklüğünün sabit olmaması nedeniyle atom zaman standardına geçilmesine karar verildi. Bu durum gökbilimcilerin ve zaman tutucuların işini çok daha zorlaştırdı.

Dünya şu anda 100 yılda yaklaşık 2 milisaniyelik bir hızla dönüyor.

Günün uzunluğundaki dalgalanmalar da saniyenin binde birine ulaşıyor. Bu nedenle 1884'ten beri genel olarak küresel bir standart olarak kabul edilen Greenwich Ortalama Saati'nin doğruluğu yetersiz hale gelmiştir. 1967'de atom zaman standardına geçiş gerçekleşti.

Bugün bir saniye, tam olarak 9.192.631.770 radyasyon periyoduna eşit bir zaman periyodudur ve bu, Sezyum 133 atomunun temel durumunun iki aşırı ince seviyesi arasındaki geçişe karşılık gelir.

Şu anda zaman ölçeği olarak Koordineli Evrensel Zaman kullanılmaktadır. Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu tarafından, çeşitli ülkelerin zaman depolama laboratuvarlarından gelen verilerin yanı sıra Uluslararası Dünya Dönme Servisi'nden gelen verilerin birleştirilmesiyle oluşturulmuştur. Doğruluğu astronomik Greenwich Ortalama Saatinden neredeyse bir milyon kat daha yüksektir.

Ultra hassas atom saatlerinin boyutunu ve maliyetini radikal bir şekilde azaltacak ve bunların mobil cihazlarda çok çeşitli amaçlarla yaygın olarak kullanılmasını mümkün kılacak bir teknoloji geliştirildi. Bilim insanları çok küçük boyutta bir atomik zaman standardı oluşturmayı başardılar. Bu tür atom saatleri 0,075 W'tan daha az enerji tüketir ve 300 yılda bir saniyeden fazla hata yapmaz.

ABD'li bir araştırma grubu ultra kompakt bir atom standardı oluşturmayı başardı. Sıradan AA pillerden atom saatlerine güç sağlamak mümkün hale geldi. Genellikle en az bir metre yüksekliğinde olan ultra hassas atom saatleri, 1,5x1,5x4 mm'lik bir hacme yerleştirildi.

ABD'de tek bir cıva iyonuna dayanan deneysel bir atom saati geliştirildi. Uluslararası standart olarak kabul edilen sezyumdan beş kat daha hassastırlar. Sezyum saatleri o kadar hassastır ki, bir saniyelik farkın oluşması 70 milyon yıl sürerken, cıvalı saatlerde bu süre 400 milyon yıl olacaktır.

1982'de, Zaman standardının astronomik tanımı ile onu mağlup eden atom saati arasındaki anlaşmazlığa yeni bir astronomik nesne - milisaniyelik bir pulsar - müdahale etti. Bu sinyaller en iyi atom saatleri kadar kararlıdır

Biliyor musun?

Rusya'daki ilk saatler

1412 yılında Moskova'da Müjde Kilisesi'nin arkasındaki Büyük Dük'ün avlusuna bir saat yerleştirildi ve bu saat, Sırp topraklarından gelen Sırp keşiş Lazar tarafından yapıldı. Ne yazık ki, Rusya'daki bu ilk saatlerin hiçbir açıklaması korunmamıştır.

Moskova Kremlin'in Spasskaya Kulesi'nde çan saati nasıl ortaya çıktı?

17. yüzyılda İngiliz Christopher Galloway, Spasskaya Kulesi için çanlar yaptı: saat çemberi 17 sektöre bölünmüştü, saatin tek ibresi sabitti, aşağı doğru yönlendirilmişti ve kadrandaki bir sayıyı işaret ediyordu, ancak kadranın kendisi dönüyordu.

Bilim dünyasında bir sansasyon yayıldı: Evrenimizden zaman buharlaşıyor! Şimdiye kadar bu yalnızca İspanyol astrofizikçilerin bir hipotezidir. Ancak Dünya'da ve uzayda zamanın akışının farklı olduğu bilim adamları tarafından zaten kanıtlanmıştır. Yer çekiminin etkisi altında zaman daha yavaş akıyor, gezegenden uzaklaştıkça hızlanıyor. Dünya ve kozmik zamanın senkronize edilmesi görevi, “atomik saatler” olarak da adlandırılan hidrojen frekans standartları tarafından gerçekleştirilir.

İlk atom saati, astronotik biliminin ortaya çıkışıyla birlikte ortaya çıktı; atom saatleri, 20'li yılların ortalarında ortaya çıktı. Günümüzde atom saatleri gündelik bir şey haline geldi; her birimiz onları her gün kullanıyoruz: dijital iletişim, GLONASS, navigasyon ve ulaşım onların yardımıyla çalışıyor.

Cep telefonu sahipleri, katı zaman senkronizasyonu için uzayda ne kadar karmaşık işlerin yapıldığını pek düşünmüyorlar ve biz saniyenin yalnızca milyonda birinden bahsediyoruz.

Kesin zaman standardı, Moskova bölgesinde, Fiziksel-Teknik ve Radyo-Teknik Ölçümler Bilimsel Enstitüsü'nde saklanmaktadır. Dünyada bu tür 450 saat var.

Rusya ve ABD'nin atom saatleri konusunda tekelleri var, ancak ABD'de saatler çevreye çok zararlı radyoaktif bir metal olan sezyum temelinde, Rusya'da ise daha güvenli, dayanıklı bir malzeme olan hidrojen temelinde çalışıyor.

Bu saatin bir kadranı veya ibreleri yok: en ileri teknolojilerle, yüksek hassasiyetli ölçüm aletleri ve atom standartlarına sahip ekipmanlarla dolu, nadir ve değerli metallerden oluşan büyük bir varile benziyor. Yaratılış süreçleri çok uzun, karmaşıktır ve mutlak kısırlık koşullarında gerçekleşir.

Rus uydusuna kurulan saat 4 yıldır karanlık enerjiyi inceliyor. İnsan standartlarına göre, milyonlarca yıl boyunca doğruluğunu 1 saniye kaybederler.

Çok yakında yıldızların ve dış gezegenlerin nasıl oluştuğunu görecek ve Galaksimizin merkezindeki kara deliğin kenarının ötesine bakacak bir uzay gözlemevi olan Spektr-M'ye atom saatleri kurulacak. Bilim adamlarına göre, korkunç yerçekimi nedeniyle burada zaman o kadar yavaş akıyor ki neredeyse duruyor.

TVroskosmos