Geçen yıl, 2012, insanlığın zamanı mümkün olduğu kadar doğru ölçmek için atomik zaman işleyişini kullanmaya karar vermesinin üzerinden kırk beş yıl geçti. 1967'de Uluslararası zaman kategorisi astronomik ölçeklerle belirlenmeye son verildi; yerini sezyum frekans standardı aldı. Artık popüler olan atom saati adını alan oydu. Belirlemeye izin verdikleri kesin zaman, üç milyon yılda bir saniyelik önemsiz bir hataya sahiptir ve bu da onların dünyanın herhangi bir köşesinde zaman standardı olarak kullanılmasına olanak tanır.
Küçük bir tarih
Zamanın son derece hassas ölçümü için atomik titreşimleri kullanma fikri ilk kez 1879'da İngiliz fizikçi William Thomson tarafından dile getirildi. Bu bilim adamı, rezonatör atomlarının yayıcısı olarak hidrojenin kullanılmasını önerdi. Fikri uygulamaya yönelik ilk girişimler yalnızca 40'lı yıllarda yapıldı. yirminci yüzyıl. Dünyanın ilk çalışan atom saati 1955'te Büyük Britanya'da ortaya çıktı. Yaratıcıları İngiliz deneysel fizikçi Dr. Louis Essen'di. Bu saatler sezyum-133 atomlarının titreşimlerine dayalı olarak çalışıyordu ve onlar sayesinde bilim insanları nihayet zamanı eskisinden çok daha yüksek bir doğrulukla ölçebildiler. Essen'in ilk cihazı her yüz yılda bir saniyeden fazla olmayan bir hataya izin veriyordu, ancak daha sonra bu hata kat kat arttı ve saniyedeki hata ancak 2-3 yüz milyon yılda birikebiliyor.
Atom saati: çalışma prensibi
Bu akıllı “cihaz” nasıl çalışıyor? Atomik saatler, rezonans frekans üreteci olarak kuantum seviyesindeki molekülleri veya atomları kullanır. “atom çekirdeği – elektronlar” sistemi ile birkaç ayrı enerji seviyesi arasında bağlantı kurar. Eğer böyle bir sistem kesin olarak belirlenmiş bir frekanstan etkilenirse, bu sistemin düşük seviyeden yüksek seviyeye geçişi meydana gelecektir. Bunun tersi de mümkündür: Bir atomun daha yüksek bir seviyeden daha düşük bir seviyeye geçişi, enerji emisyonu ile birlikte. Bu olaylar kontrol edilebilir ve tüm enerji sıçramaları, salınım devresi (atom osilatörü olarak da bilinir) gibi bir şey oluşturularak kaydedilebilir. Rezonans frekansı, komşu atomik geçiş seviyeleri arasındaki enerji farkının Planck sabitine bölünmesine karşılık gelecektir.
Böyle bir salınım devresinin, mekanik ve astronomik öncüllerine kıyasla yadsınamaz avantajları vardır. Böyle bir atomik osilatör için, herhangi bir maddenin atomlarının rezonans frekansı aynı olacaktır; bu, sarkaçlar ve piezokristaller hakkında söylenemez. Ayrıca atomlar zamanla özelliklerini değiştirmezler ve yıpranmazlar. Bu nedenle atom saatleri son derece doğru ve pratik olarak sürekli kronometrelerdir.
Doğru zaman ve modern teknolojiler
Telekomünikasyon ağları, uydu iletişimi, GPS, NTP sunucuları, borsadaki elektronik işlemler, İnternet açık artırmaları, İnternet üzerinden bilet satın alma prosedürü - tüm bunlar ve diğer birçok olgu uzun zamandır hayatımızda sağlam bir şekilde yerleşmiştir. Ancak insanlık atom saatlerini icat etmeseydi tüm bunlar olmazdı. Herhangi bir hatayı, gecikmeyi ve gecikmeyi en aza indirmenize olanak tanıyan senkronizasyonun kesin zamanı, bir kişinin asla çok fazla olmayan bu paha biçilmez, yeri doldurulamaz kaynaktan en iyi şekilde yararlanmasına olanak tanır.
Atom saatlerinin her zaman tam zamanı gösterdiği deyimini sıklıkla duyarız. Ancak isimlerinden atom saatlerinin neden en doğru olduğunu veya nasıl çalıştıklarını anlamak zordur.
Adının “atomik” kelimesini içermesi, akla hemen atom bombası ya da nükleer santral düşüncesi gelse bile saatin hayati tehlike oluşturduğu anlamına gelmiyor. Bu durumda sadece saatin çalışma prensibinden bahsediyoruz. Sıradan bir mekanik saatte salınım hareketleri dişliler tarafından gerçekleştiriliyorsa ve bunların hareketleri sayılıyorsa, atom saatinde atomların içindeki elektronların salınımları sayılır. Çalışma prensibini daha iyi anlamak için temel parçacıkların fiziğini hatırlayalım.
Dünyamızdaki tüm maddeler atomlardan yapılmıştır. Atomlar proton, nötron ve elektronlardan oluşur. Protonlar ve nötronlar birbirleriyle birleşerek nükleon da denilen çekirdeği oluştururlar. Elektronlar, farklı enerji seviyelerinde olabilen çekirdeğin etrafında hareket eder. En ilginç şey, enerjiyi emerken veya serbest bırakırken, bir elektronun kendi enerji seviyesinden daha yüksek veya daha düşük bir seviyeye geçebilmesidir. Bir elektron, her geçişte belirli bir frekanstaki elektromanyetik radyasyonu emerek veya yayarak elektromanyetik radyasyondan enerji elde edebilir.
Çoğu zaman, Sezyum-133 elementinin atomlarının değişim için kullanıldığı saatler vardır. Eğer 1 saniyede sarkaç düzenli izle 1 salınım hareketi yapar, ardından elektronlar atom saatlerinde Sezyum-133'ü temel alarak bir enerji seviyesinden diğerine geçerken 9192631770 Hz frekansında elektromanyetik radyasyon yayarlar. Atom saatlerinde hesaplanırsa bir saniyenin tam olarak bu sayıda aralığa bölündüğü ortaya çıkıyor. Bu değer 1967 yılında uluslararası toplum tarafından resmen benimsenmiştir. Sadece 1 saniyeyi oluşturan 60 değil 9192631770 bölümden oluşan devasa bir kadran düşünün. Atom saatlerinin bu kadar doğru olması ve bir takım avantajlara sahip olması şaşırtıcı değildir: atomlar yaşlanmaz, yıpranmaz ve bir kimyasal element için salınım frekansı her zaman aynı olacaktır, bu sayede mümkün olur. Örneğin, uzaydaki ve Dünya'daki atom saatlerinin okumalarını hata korkusu olmadan eşzamanlı olarak karşılaştırın.
Atom saatleri sayesinde insanlık, görelilik teorisinin doğruluğunu pratikte test edebildi ve Dünya'dakinden daha iyi olduğundan emin olabildi. Atomik saatler birçok uyduya ve uzay aracına kuruludur; telekomünikasyon ihtiyaçları için, mobil iletişim için kullanılırlar ve tüm gezegendeki zamanı tam olarak karşılaştırmak için kullanılırlar. Abartmadan, atom saatlerinin icadı sayesinde insanlık yüksek teknoloji çağına girebildi.
Atom saatleri nasıl çalışır?
Sezyum-133, istenen enerji durumlarına sahip atomların seçildiği bir manyetik alandan geçirilen sezyum atomlarının buharlaştırılmasıyla ısıtılır.
Seçilen atomlar daha sonra kuvars osilatörü tarafından oluşturulan 9192631770 Hz frekansına yakın bir manyetik alandan geçer. Alanın etkisi altında, sezyum atomları tekrar enerji durumlarını değiştirir ve gelen atomların en fazla sayısının ne zaman "doğru" enerji durumuna sahip olacağını kaydeden bir dedektöre düşer. Değişen enerji durumuna sahip maksimum atom sayısı, mikrodalga alanının frekansının doğru seçildiğini ve daha sonra değerinin elektronik bir cihaza beslendiğini gösterir - frekansı tamsayı sayıda azaltarak, alan bir frekans bölücü referans saniyesi olan 1 sayısı.
Böylece sezyum atomları, kristal osilatörün ürettiği manyetik alanın doğru frekansını kontrol etmek için kullanılır ve bu alanın sabit bir değerde tutulmasına yardımcı olur.
Bu ilginç: Her ne kadar mevcut atom saatleri benzeri görülmemiş bir doğrulukta olsa ve milyonlarca yıl boyunca hatasız çalışabilse de, fizikçiler burada durmayacaklar. Çeşitli kimyasal elementlerin atomlarını kullanarak atom saatlerinin doğruluğunu artırmak için sürekli çalışıyorlar. En son icatlar arasında atom saati de var stronsiyum Sezyum muadillerinden üç kat daha doğru olan. Bir saniyenin bile gerisinde kalmaları için 15 milyar yıla ihtiyaçları olacak; bu süre Evrenimizin yaşını aşan bir süre...
Bir hata bulursanız lütfen metnin bir kısmını vurgulayın ve tıklayın. Ctrl+Enter.
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 modelin yüzde 60'ıyla 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 saatleri, günümüzde var olan en doğru zaman ölçüm cihazları olup, modern teknolojinin gelişmesi ve karmaşıklaşmasıyla birlikte önemi giderek artmaktadır.
Çalışma prensibi
Atomik saatler, adından da anlaşılacağı gibi radyoaktif bozunma nedeniyle değil, çekirdeklerin ve onları çevreleyen elektronların titreşimlerini kullanarak doğru zamanı tutar. Frekansları çekirdeğin kütlesi, yerçekimi ve pozitif yüklü çekirdek ile elektronlar arasındaki elektrostatik “dengeleyici” tarafından belirlenir. Bu, normal bir saat hareketine tam olarak karşılık gelmiyor. Atom saatleri nem, sıcaklık, basınç gibi çevresel faktörlere bağlı olarak salınımları değişmediği için daha güvenilir zaman tutuculardır.
Atom saatlerinin evrimi
Yıllar geçtikçe bilim insanları, atomların, her birinin elektromanyetik radyasyonu absorbe etme ve yayma kabiliyetiyle ilgili rezonans frekanslarına sahip olduğunu fark etti. 1930'larda ve 1940'larda, atomların ve moleküllerin rezonans frekanslarıyla arayüz oluşturabilecek yüksek frekanslı iletişim ve radar ekipmanı geliştirildi. Bu da saat fikrinin ortaya çıkmasına katkıda bulundu.
İlk örnekler 1949 yılında Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST) tarafından inşa edildi. Amonyak titreşim kaynağı olarak kullanıldı. Ancak bunlar mevcut zaman standardından çok daha doğru değildi ve bir sonraki nesilde sezyum kullanıldı.
Yeni standart
Zaman ölçümünün kesinliğindeki değişim o kadar büyüktü ki, 1967'de Ağırlıklar ve Ölçüler Genel Konferansı SI saniyesini bir sezyum atomunun rezonans frekansındaki 9.192.631.770 titreşimi olarak tanımladı. Bu, zamanın artık Dünya'nın hareketiyle ilişkili olmadığı anlamına geliyordu. Dünyanın en kararlı atom saati 1968'de oluşturuldu ve 1990'lara kadar NIST zaman işleyişi sisteminin bir parçası olarak kullanıldı.
İyileştirme arabası
Bu alandaki en son gelişmelerden biri lazer soğutmadır. Bu, sinyal-gürültü oranını iyileştirdi ve saat sinyalindeki belirsizliği azalttı. Bu soğutma sistemini ve sezyum saatlerini geliştirmek için kullanılan diğer ekipmanları barındırmak, bir demiryolu vagonu büyüklüğünde alan gerektirecektir, ancak ticari versiyonlar bir çantaya sığabilir. Boulder, Colorado'da bulunan bu laboratuvar kurulumlarından biri, zamanı ölçen ve dünyadaki en doğru saattir. Günde yalnızca 2 nanosaniye veya 1,4 milyon yılda 1 saniye kadar yanılıyorlar.
Karmaşık teknoloji
Bu muazzam hassasiyet, karmaşık bir üretim sürecinin sonucudur. İlk önce sıvı sezyum bir fırına konur ve gaza dönüşene kadar ısıtılır. Metal atomları fırındaki küçük bir açıklıktan yüksek hızda çıkar. Elektromıknatıslar bunların farklı enerjilere sahip ayrı ışınlara bölünmesine neden olur. Gerekli ışın U şeklindeki bir delikten geçer ve atomlar 9.192.631.770 Hz frekansındaki mikrodalga enerjisiyle ışınlanır. Bu sayede heyecanlanırlar ve farklı bir enerji durumuna geçerler. Manyetik alan daha sonra atomların diğer enerji durumlarını filtreler.
Dedektör sezyuma tepki verir ve doğru frekans değerinde maksimum değeri gösterir. Bu, saat mekanizmasını kontrol eden kuvars osilatörünü yapılandırmak için gereklidir. Frekansının 9.192.631.770'e bölünmesi saniyede bir darbe verir.
Sadece sezyum değil
En yaygın atom saatleri sezyumun özelliklerini kullansa da başka türleri de vardır. Kullanılan element ve enerji seviyesindeki değişiklikleri belirleme araçları bakımından farklılık gösterirler. Diğer malzemeler hidrojen ve rubidyumdur. Hidrojen atom saatleri, sezyum saatlerine benzer şekilde çalışır ancak atomların çok hızlı enerji kaybetmesini önleyen özel bir malzemeden yapılmış duvarları olan bir kap gerektirir. Rubidyum saatler en basit ve en kompakt olanlardır. İçlerinde rubidyum gazıyla dolu bir cam hücre, ultra yüksek frekansa maruz kaldığında ışığın emilimini değiştiriyor.
Kimin doğru zamana ihtiyacı var?
Günümüzde zaman son derece hassas bir şekilde ölçülebiliyor ama bu neden önemli? Cep telefonları, internet, GPS, havacılık programları ve dijital televizyon gibi sistemlerde bu gereklidir. İlk bakışta bu pek açık değildir.
Zamanın ne kadar hassas kullanıldığına bir örnek paket senkronizasyonudur. Ortalama iletişim hattı üzerinden binlerce telefon görüşmesi geçmektedir. Bu ancak konuşmanın tam olarak aktarılmaması nedeniyle mümkündür. Telekomünikasyon şirketi bunu küçük paketlere bölüyor ve hatta bilgilerin bir kısmını atlıyor. Daha sonra diğer konuşma paketleriyle birlikte hattan geçerler ve diğer uçta karışmadan geri yüklenirler. Telefon santralinin saat sistemi, bilginin tam olarak gönderildiği zamana göre hangi paketlerin belirli bir konuşmaya ait olduğunu belirleyebilir.
Küresel Konumlama Sistemi
Kesin zamanın bir başka uygulaması da küresel konumlandırma sistemidir. Koordinatlarını ve zamanlarını ileten 24 uydudan oluşur. Herhangi bir GPS alıcısı bunlara bağlanabilir ve yayın sürelerini karşılaştırabilir. Fark, kullanıcının konumunu belirlemesine olanak tanır. Eğer bu saatler çok doğru olmasaydı GPS sistemi kullanışsız ve güvenilmez olurdu.
Mükemmelliğin sınırı
Teknolojinin ve atom saatlerinin gelişmesiyle birlikte Evrendeki yanlışlıklar fark edilir hale geldi. Dünyanın düzensiz hareket etmesi, yılların ve günlerin uzunluğunda rastgele değişikliklere neden olur. Geçmişte, zamanı ölçmek için kullanılan araçlar çok kesin olmadığı için bu değişiklikler fark edilmeden giderdi. Ancak araştırmacıların ve bilim adamlarının hayal kırıklığına uğramasına rağmen, atom saatlerinin zamanının gerçek dünyadaki anormallikleri telafi edecek şekilde ayarlanması gerekiyor. Bunlar modern teknolojinin ilerlemesine yardımcı olan harika araçlardır, ancak mükemmellikleri doğanın belirlediği sınırlarla sınırlıdır.
Atom saati, zamanı çok hassas ölçen bir cihazdır. Periyod olarak moleküllerin veya atomların doğal titreşimleri kullanıldığı için isimlerini çalışma prensibinden almıştır. Atomik saatler navigasyonda, uzay endüstrisinde, uyduların konumunun belirlenmesinde, askeri alanda, algılamada, uçaklarda ve ayrıca telekomünikasyonda çok geniş uygulama alanı bulmuştur.
Görünüşe göre pek çok uygulama alanı var, ancak bugün geleneksel atom saatlerinin hatası 30 milyon yılda sadece 1 saniye olduğuna göre neden hepsi bu kadar hassaslığa ihtiyaç duyuyor? Ama daha da kesin olan bir şey var. Her şey anlaşılabilir çünkü mesafeleri hesaplamak için zaman kullanılıyor ve kozmik mesafeleri alırsak küçük bir hata yüzlerce metreye, hatta kilometrelere yol açabilir. Örneğin Amerikan GPS navigasyon sistemini ele alalım; alıcıda geleneksel bir elektronik saat kullanıldığında, koordinatların ölçülmesindeki hata oldukça önemli olacak ve bu da diğer tüm hesaplamaları etkileyebilecek ve bu durum uzay teknolojileri söz konusu olduğunda sonuçlara yol açabilecektir. . Doğal olarak, mobil cihazlardaki ve diğer cihazlardaki GPS alıcıları için daha fazla doğruluk hiç de önemli değil.
Moskova'da ve dünyada en doğru zamanı resmi web sitesinde bulabilirsiniz - “kesin güncel zaman sunucusu” www.timeserver.ru
Atom saatleri nelerden yapılmıştır?
Bir atom saati birkaç ana parçadan oluşur: kuvars osilatörü, kuantum ayırıcı ve elektronik birimler. Referansı belirleyen ana şey, kuvars kristalleri üzerine inşa edilen ve kural olarak 10, 5, 2,5 MHz'lik standart bir frekans üreten bir kuvars osilatörüdür. Kuvarsın hatasız kararlı çalışması oldukça küçük olduğundan sürekli ayarlanması gerekir.
Kuantum ayırıcı, atom hattının frekansını kaydeder ve frekans-faz karşılaştırıcısında kuvars osilatörün frekansıyla karşılaştırılır. Karşılaştırıcının, frekans uyumsuzluğu durumunda ayarlanması için kuvars osilatöre geri bildirimi vardır.
Atom saatleri tüm atomlar üzerine kurulamaz. En uygun olanı sezyum atomudur. Diğer tüm uygun malzemelerin karşılaştırıldığı birincil malzemeyi ifade eder, örneğin: stronsiyum, rubidyum, kalsiyum. Birincil standart, kesin zamanı ölçmek için kesinlikle uygundur, bu yüzden ona birincil denir.
Dünyanın en doğru atom saati
Bugüne kadar en doğru atom saati Birleşik Krallık'ta bulunmaktadır (resmi olarak kabul edilmiştir). Onların hatası 138 milyon yılda sadece 1 saniyedir. Bunlar, Amerika Birleşik Devletleri de dahil olmak üzere birçok ülkenin ulusal zaman standartları için standarttır ve aynı zamanda uluslararası atom saatini de belirler. Ancak krallık Dünya'daki en doğru saatleri içermiyor.
en doğru atom saati fotoğrafı
Amerika Birleşik Devletleri, sezyum atomlarına dayanan deneysel tipte hassas bir saat geliştirdiğini duyurdu; hatası neredeyse 1,5 milyar yılda 1 saniyeydi. Bu alandaki bilim yerinde durmuyor ve hızla gelişiyor.
