Atomske ure: točen čas - ključ do napredka

Atomske ure so najbolj natančni instrumenti za merjenje časa, ki obstajajo danes in postajajo vse pomembnejši z razvojem in prefinjenostjo sodobnih tehnologij.

Načelo delovanja

Atomske ure ne štejejo točnega časa zaradi radioaktivnega razpada, kot pravi njihovo ime, ampak z uporabo vibracij jeder in elektronov, ki jih obdajajo. Njihova frekvenca je določena z maso jedra, gravitacijo in elektrostatičnim "ravnotežjem" med pozitivno nabito jedro in elektroni. To ni povsem v skladu z običajnim urnim mehanizmom. Atomske ure so bolj zanesljivi imetniki časa, saj se njihova nihanja ne spreminjajo glede na okoljske dejavnike, kot so vlažnost, temperatura ali tlak.

Razvoj atomske ure

Že vrsto let so znanstveniki spoznali, da imajo atomi resonančne frekvence, povezane s sposobnostjo vsakega, da absorbira in oddaja elektromagnetno sevanje. V 30-ih in 1940-ih letih je bila razvita oprema za visokofrekvenčne komunikacije in radarske sisteme, ki lahko vplivajo na resonančne frekvence atomov in molekul. To je prispevalo k ideji ure.

Prve kopije je leta 1949 zgradil Nacionalni inštitut za standarde in tehnologijo (NIST). Amonijak je bil uporabljen kot vir vibracij. Vendar pa niso bili veliko natančnejši od obstoječega časovnega standarda, v naslednji generaciji pa je bil uporabljen cezij.

Novi standard

Sprememba natančnosti merjenja časa se je izkazala za tako veliko, da je Generalna konferenca o merah in težavah leta 1967 opredelila drugi SI kot 9.192.631.770 oscilacij atomov cezija na njegovi resonančni frekvenci. To je pomenilo, da čas ni bil več povezan z gibanjem Zemlje. Najbolj stabilne atomske ure na svetu so nastale leta 1968 in so se uporabljale kot del časovnega referenčnega sistema NIST do devetdesetih let.

Avtomobilske izboljšave

Eden od zadnjih napredkov na tem področju je lasersko hlajenje. To je izboljšalo razmerje signal / šum in zmanjšalo negotovost signala ure. Za namestitev tega hladilnega sistema in druge opreme, ki se uporablja za izboljšanje cezijevih ur, je potreben prostor velikosti železniškega vagona, čeprav lahko komercialne možnosti prilegajo kovčku. Ena taka laboratorijska postavitev šteje čas v Boulderju v Koloradu in je najbolj natančna ura na Zemlji. Zamenjani so le za 2 nanosekunde na dan ali za 1 s v 1,4 milijona let.

Napredna tehnologija

Takšna izjemna natančnost je rezultat kompleksnega procesa. Najprej, tekoči cezij se postavi v peč in segreva, dokler se ne pretvori v plin. Kovinski atomi pri visoki hitrosti izstopajo skozi majhno luknjo v peči. Elektromagneti jih delijo v ločene žarke z različnimi energijami. Zahtevani žarek gre skozi luknjo v obliki črke U in atomi so izpostavljeni mikrovalovni energiji pri frekvenci 9.192.631.770 Hz. Zaradi tega so navdušeni in se premaknejo v drugo energetsko stanje. Nato magnetno polje filtrira druga stanja atomske energije.

Detektor se odziva na cezij in pokaže največjo vrednost na pravilni frekvenci. To je potrebno za postavitev kvarčnega oscilatorja, ki nadzoruje mehanizem urnega mehanizma. Delitev frekvence na 9.192.631.770 in daje en impulz na sekundo.

Ne samo cezija

Čeprav najpogostejše atomske ure uporabljajo lastnosti cezija, obstajajo tudi druge vrste. Razlikujejo se glede na uporabljeni element in način določanja spremembe. energije. Drugi materiali so vodik in rubidij. Atomske ure na vodiku delujejo kot cezij, vendar potrebujejo posodo s stenami, izdelanimi iz posebnega materiala, ki preprečuje, da bi atomi prehitro izgubili energijo. Rubidijeve ure so najbolj preproste in kompaktne. V njih steklena celica, napolnjena z rubidijevim plinom, spremeni absorpcijo svetlobe, kadar je izpostavljena ultra visokim frekvencam.

Kdo potrebuje natančen čas?

Danes je čas mogoče šteti z izjemno natančnostjo, toda zakaj je to pomembno? To je potrebno v sistemih, kot so mobilni telefoni, internet, GPS, letalski programi in digitalna televizija. Na prvi pogled to ni očitno.

Primer, kako se uporablja točen čas, je sinhronizacija paketov. Na tisoče telefonskih klicev gre skozi srednjo linijo. To je mogoče samo zato, ker se pogovor ne prenaša v celoti. Telekomunikacijsko podjetje ga deli na majhne pakete in celo preskoči nekatere informacije. Potem gredo skozi črto skupaj s paketi drugih pogovorov in na drugem koncu se obnovijo brez mešanja. Sistem urnega zapisovanja telefonske centrale lahko določi, kateri paketi pripadajo določenemu klicu, glede na točen čas pošiljanja informacij.

GPS

Druga izvedba točnega časa je globalni sistem za določanje položaja. Sestavlja ga 24 satelitov, ki prenašajo svoje koordinate in čas. Vsak sprejemnik GPS se lahko poveže z njimi in primerja čas oddajanja. Razlika omogoča uporabniku, da določi njihovo lokacijo. Če ta ura ni bila zelo natančna, bi bil sistem GPS nepraktičen in nezanesljiv.

Omejitev popolnosti

Z razvojem tehnologije in atomskih ur so postale netočnosti vesolja opazne. Zemlja se giblje neenakomerno, kar vodi do naključnih variacij v dolžini let in dni. V preteklosti bi te spremembe ostale neopažene, saj so bila orodja za merjenje časa preveč nenatančna. Vendar pa je zaradi velikega razočaranja raziskovalcev in znanstvenikov čas atomske ure treba prilagoditi, da bi nadomestil anomalije realnega sveta. So neverjetna orodja, ki prispevajo k napredku sodobne tehnologije, vendar je njihova popolnost omejena z omejitvami, ki jih postavlja narava sama.