หลักการทำงานของนาฬิกาอะตอม นาฬิกาอะตอม

บทความที่เก็บถาวร

"ช่างทำนาฬิกา" คนไหนที่คิดค้นและทำให้การเคลื่อนไหวที่แม่นยำอย่างยิ่งยวดนี้สมบูรณ์แบบ มีใครมาแทนเขาไหม? ลองคิดดูสิ

ในปี 2012 การบอกเวลาปรมาณูจะฉลองครบรอบ 45 ปี ในปีพ.ศ. 2510 ประเภทเวลาใน ระบบระหว่างประเทศหน่วยเริ่มถูกกำหนดโดยมาตราส่วนทางดาราศาสตร์ แต่โดยมาตรฐานความถี่ซีเซียม ในคนทั่วไปเรียกว่านาฬิกาอะตอม

หลักการทำงานของอะตอมออสซิลเลเตอร์คืออะไร? ในฐานะที่เป็นแหล่งกำเนิดคลื่นความถี่ "อุปกรณ์" เหล่านี้ใช้ระดับพลังงานควอนตัมของอะตอมหรือโมเลกุล กลศาสตร์ควอนตัมเชื่อมต่อกับระบบ นิวเคลียสของอะตอม- อิเล็กตรอน "พลังงานไม่ต่อเนื่องหลายระดับ สนามแม่เหล็กไฟฟ้า ความถี่ที่แน่นอนสามารถกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของระบบนี้จาก ระดับต่ำให้สูงขึ้น ปรากฏการณ์ที่ตรงกันข้ามก็เป็นไปได้: อะตอมสามารถไปจากที่สูงได้ ระดับพลังงานไปสู่ระดับที่ต่ำกว่าด้วยการแผ่พลังงาน ทั้งสองปรากฏการณ์สามารถควบคุมได้และการกระโดดระหว่างระดับพลังงานเหล่านี้สามารถแก้ไขได้ ซึ่งจะทำให้เกิดรูปร่างหน้าตา วงจรออสซิลเลเตอร์. ความถี่เรโซแนนซ์ของวงจรนี้จะเท่ากับความแตกต่างของพลังงานระหว่างระดับการเปลี่ยนผ่านทั้งสองระดับ หารด้วยค่าคงที่ของพลังค์

ออสซิลเลเตอร์ระดับอะตอมที่เกิดขึ้นนั้นมีข้อได้เปรียบเหนือเครื่องกำเนิดแสงทางดาราศาสตร์และเครื่องกลรุ่นก่อนอย่างไม่อาจปฏิเสธได้ ความถี่เรโซแนนซ์ของอะตอมทั้งหมดของสารที่เลือกสำหรับออสซิลเลเตอร์จะเท่ากัน ซึ่งแตกต่างจากเพนดูลั่มและเพียโซคริสตัล นอกจากนี้อะตอมจะไม่เสื่อมสภาพและไม่เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเมื่อเวลาผ่านไป ตัวเลือกที่สมบูรณ์แบบสำหรับโครโนมิเตอร์ที่มีความเที่ยงตรงสูงแทบจะตลอดเวลา

เป็นครั้งแรกที่ความเป็นไปได้ในการใช้การเปลี่ยนพลังงานระหว่างระดับในอะตอมเป็นมาตรฐานความถี่ได้รับการพิจารณาย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2422 โดยวิลเลียม ทอมสัน นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ หรือที่รู้จักกันดีในชื่อลอร์ดเคลวิน เขาเสนอให้ใช้ไฮโดรเจนเป็นแหล่งของอะตอมเรโซเนเตอร์ อย่างไรก็ตาม การวิจัยของเขามีมากกว่านั้น เชิงทฤษฎี. วิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นยังไม่พร้อมที่จะพัฒนาอะตอมมิกโครโนมิเตอร์

ใช้เวลาเกือบร้อยปีกว่าความคิดของลอร์ดเคลวินจะกลายเป็นความจริง เป็นเวลานาน แต่งานก็ไม่ง่ายเช่นกัน การเปลี่ยนอะตอมให้เป็นลูกตุ้มในอุดมคตินั้นพิสูจน์ได้ยากในทางปฏิบัติมากกว่าในทางทฤษฎี ความยากลำบากคือการต่อสู้กับความกว้างเรโซแนนซ์ที่เรียกว่า - ความผันผวนเล็กน้อยในความถี่ของการดูดซับและการปล่อยพลังงานเมื่ออะตอมเคลื่อนที่จากระดับหนึ่งไปอีกระดับหนึ่ง อัตราส่วนของความถี่เรโซแนนซ์ต่อความกว้างเรโซแนนซ์จะเป็นตัวกำหนดคุณภาพของอะตอมมิกออสซิลเลเตอร์ เห็นได้ชัดว่ายิ่งค่าความกว้างเรโซแนนซ์มากเท่าใด คุณภาพของลูกตุ้มอะตอมก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น น่าเสียดายที่ไม่สามารถเพิ่มความถี่เรโซแนนซ์เพื่อปรับปรุงคุณภาพได้ เป็นค่าคงที่สำหรับอะตอมของสารแต่ละชนิด แต่ความกว้างเรโซแนนซ์สามารถลดลงได้โดยการเพิ่มเวลาการสังเกตสำหรับอะตอม

ในทางเทคนิค สามารถทำได้ดังนี้: ปล่อยให้ภายนอก เช่น ควอตซ์ ออสซิลเลเตอร์สร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นระยะ บังคับให้อะตอมของสารผู้บริจาคกระโดดข้ามระดับพลังงาน ในกรณีนี้ หน้าที่ของจูนเนอร์อะตอมโครโนกราฟคือการประมาณความถี่สูงสุดของออสซิลเลเตอร์แบบควอตซ์นี้กับความถี่เรโซแนนซ์ของการเปลี่ยนระดับของอะตอม เป็นไปได้ถ้าเพียงพอ ระยะเวลานานการสังเกตการสั่นของอะตอมและการสร้าง ข้อเสนอแนะซึ่งควบคุมความถี่ของควอตซ์

จริงอยู่ นอกจากปัญหาในการลดความกว้างเรโซแนนซ์ในอะตอมโครโนกราฟแล้ว ยังมีปัญหาอื่นๆ อีกมากมาย นี่คือปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ - การเปลี่ยนแปลงความถี่เรโซแนนซ์เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอะตอม และการชนกันของอะตอม ทำให้เกิดการเปลี่ยนผ่านของพลังงานโดยไม่ได้วางแผน และแม้แต่อิทธิพลของพลังงานที่แผ่ซ่านไปทั่วของสสารมืด

เป็นครั้งแรกที่ความพยายามในการนำนาฬิกาอะตอมไปใช้จริงได้เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 30 โดยนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียภายใต้การแนะนำของอนาคต รางวัลโนเบลดร. อิสิโดเร ราบี Rabi เสนอให้ใช้ไอโซโทปซีเซียม 133 Cs เป็นแหล่งของอะตอมลูกตุ้ม น่าเสียดายที่งานของ Rabi ซึ่งสนใจ NBS อย่างมาก ถูกขัดจังหวะโดยสงครามโลกครั้งที่สอง

หลังจากเสร็จสิ้น แชมป์ในการนำอะตอมโครโนกราฟไปใช้กับพนักงานของ NBS Harold Lyons ออสซิลเลเตอร์อะตอมของเขาทำงานกับแอมโมเนียและให้ค่าความผิดพลาดที่สมน้ำสมเนื้อกับ ตัวอย่างที่ดีที่สุดแร่ควอตซ์ ในปี 1949 ได้มีการสาธิตนาฬิกาอะตอมแอมโมเนียต่อสาธารณชนทั่วไป แม้จะมีความแม่นยำค่อนข้างปานกลาง แต่พวกเขาก็นำหลักการพื้นฐานของอะตอมโครโนกราฟรุ่นอนาคตมาใช้

ต้นแบบของนาฬิกาอะตอมซีเซียมที่ Louis Essen ได้รับนั้นให้ความแม่นยำ 1 * 10 -9 ในขณะที่มีความกว้างเรโซแนนซ์เพียง 340 เฮิรตซ์

หลังจากนั้นไม่นานศาสตราจารย์ มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด Norman Ramsey ได้ปรับปรุงแนวคิดของ Isidore Rabi โดยลดอิทธิพลของ Doppler effect ที่มีต่อความแม่นยำของการวัด เขาเสนอแทนที่จะใช้พัลส์ความถี่สูงยาวหนึ่งอันเพื่อกระตุ้นอะตอม ให้ใช้อันสั้นสองอันที่ส่งไปยังแขนของท่อนำคลื่นที่ระยะห่างจากกัน สิ่งนี้ทำให้สามารถลดความกว้างเรโซแนนซ์ได้อย่างมาก และทำให้สามารถสร้างอะตอมออสซิลเลเตอร์ที่มีลำดับความสำคัญดีกว่าบรรพบุรุษของควอตซ์ได้อย่างแม่นยำ

ในช่วงทศวรรษที่ 50 ของศตวรรษที่แล้ว ตามโครงการที่เสนอโดย Norman Ramsey ที่ National Physical Laboratory (บริเตนใหญ่) พนักงานของบริษัท Louis Essen ได้ทำงานเกี่ยวกับการสั่นของอะตอมโดยใช้ไอโซโทปซีเซียม 133 Cs ที่เสนอก่อนหน้านี้โดย Rabi ซีเซียมไม่ได้ถูกเลือกโดยบังเอิญ

แผนผังของระดับการเปลี่ยนผ่านแบบไฮเปอร์ไฟน์ของอะตอมของไอโซโทปซีเซียม-133

เกี่ยวข้องกับกลุ่ม โลหะอัลคาไลอะตอมของซีเซียมจะตื่นเต้นได้ง่ายมากที่จะข้ามไปมาระหว่างระดับพลังงาน ตัวอย่างเช่น ลำแสงสามารถกระแทกกระแสอิเล็กตรอนออกจากโครงสร้างอะตอมของซีเซียมได้อย่างง่ายดาย เนื่องจากคุณสมบัตินี้ซีเซียมจึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในเครื่องตรวจจับด้วยแสง

อุปกรณ์ของออสซิลเลเตอร์แบบซีเซียมแบบดั้งเดิมที่ใช้ท่อนำคลื่นแรมซีย์

มาตรฐานซีเซียมความถี่แรกอย่างเป็นทางการ NBS-1

ลูกหลานของ NBS-1 - ออสซิลเลเตอร์ NIST-7 ใช้เลเซอร์ปั๊มลำแสงของอะตอมซีเซียม

ใช้เวลามากกว่า สี่ปี. ท้ายที่สุดแล้ว การปรับแต่งนาฬิกาอะตอมอย่างละเอียดทำได้โดยการเปรียบเทียบกับหน่วยเวลาอีฟีเมอริสที่มีอยู่เท่านั้น เป็นเวลาสี่ปีที่เครื่องออสซิลเลเตอร์ของอะตอมได้รับการปรับเทียบโดยการสังเกตการหมุนของดวงจันทร์รอบโลกโดยใช้กล้องจันทรคติที่แม่นยำที่สุดที่คิดค้นโดยวิลเลียม มาร์โควิตซ์ แห่งหอดูดาวกองทัพเรือสหรัฐฯ

"การปรับ" ของนาฬิกาอะตอมไปยัง ephemeris ของดวงจันทร์ได้ดำเนินการตั้งแต่ปี 2498 ถึง 2501 หลังจากนั้นอุปกรณ์ดังกล่าวได้รับการยอมรับอย่างเป็นทางการจาก NBS ว่าเป็นมาตรฐานความถี่ ยิ่งไปกว่านั้น ความแม่นยำที่ไม่เคยมีมาก่อนของนาฬิกาอะตอมซีเซียมทำให้ NBS เปลี่ยนหน่วยเวลาในมาตรฐาน SI ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2501 เป็นต้นมา "ระยะเวลา 9,192,631,770 คาบของการแผ่รังสีที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงระหว่างระดับไฮเปอร์ไฟน์สองระดับของสถานะมาตรฐานของอะตอมของไอโซโทปซีเซียม-133" ถูกนำมาใช้เป็นวินาทีอย่างเป็นทางการ

อุปกรณ์ของ Louis Essen มีชื่อว่า NBS-1 และถือเป็นมาตรฐานความถี่ซีเซียมตัวแรก

ในอีกสามสิบปีข้างหน้า การดัดแปลง NBS-1 หกรายการได้รับการพัฒนา ซึ่งล่าสุดคือ NIST-7 ซึ่งสร้างขึ้นในปี 1993 โดยแทนที่แม่เหล็กด้วยกับดักเลเซอร์ ให้ความแม่นยำ 5 * 10 -15 ด้วยความกว้างเรโซแนนซ์เท่านั้น หกสิบสองเฮิรตซ์

ตารางเปรียบเทียบคุณสมบัติของมาตรฐานความถี่ซีเซียมที่ใช้โดย NBS

มาตรฐานความถี่ซีเซียม	เวลาใช้งาน	เวลาปฏิบัติงานตามมาตรฐาน NPFS อย่างเป็นทางการ	ความกว้างพ้อง	ความยาวของไมโครเวฟ	ค่าความผิดพลาด
เอ็นบีเอส-1	1952-1962	1959-1960	300 เฮิร์ต	55 ซม	1*10 -11
เอ็นบีเอส-2	1959-1965	1960-1963	110 เฮิร์ต	164 ซม	8*10 -12
เอ็นบีเอส-3	1959-1970	1963-1970	48 เฮิร์ตซ์	366 ซม	5*10 -13
เอ็นบีเอส-4	พ.ศ. 2508-2533	ไม่	130 เฮิร์ตซ์	52.4 ซม	3*10 -13
เอ็นบีเอส-5	1966-1974	1972-1974	45 เฮิร์ตซ์	374 ซม	2*10 -13
เอ็นบีเอส-6	1974-1993	1975-1993	26 เฮิร์ตซ์	374 ซม	8*10 -14
เอ็นบีเอส-7	1988-2001	1993-1998	62 เฮิร์ต	155 ซม	5*10 -15

อุปกรณ์ NBS เป็นแท่นทดสอบแบบอยู่กับที่ ซึ่งทำให้สามารถจัดประเภทเป็นมาตรฐานได้มากกว่าออสซิลเลเตอร์ที่ใช้งานจริง แต่เพื่อวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติเท่านั้น ฮิวเลตต์-แพคการ์ดได้ทำงานเพื่อประโยชน์ของมาตรฐานความถี่ซีเซียม ในปี 1964 ยักษ์คอมพิวเตอร์แห่งอนาคตได้สร้างมาตรฐานความถี่ซีเซียมรุ่นกะทัดรัด นั่นคืออุปกรณ์ HP 5060A

ปรับเทียบโดยใช้มาตรฐาน NBS มาตรฐานความถี่ HP 5060 พอดีกับชั้นวางอุปกรณ์วิทยุทั่วไปและมี ความสำเร็จในเชิงพาณิชย์. ต้องขอบคุณมาตรฐานความถี่ซีเซียมที่กำหนดโดยฮิวเลตต์-แพคการ์ดที่ทำให้นาฬิกาอะตอมมีความแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน

ฮิวเลตต์-แพคการ์ด 5060A

เป็นผลให้สิ่งต่างๆ เช่น โทรทัศน์ผ่านดาวเทียมและการสื่อสารเป็นไปได้ ระบบทั่วโลกบริการนำทางและเครือข่ายข้อมูลการซิงโครไนซ์เวลา มีการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีอะตอมโครโนกราฟมากมายในการออกแบบเชิงอุตสาหกรรม ในเวลาเดียวกัน ฮิวเลตต์-แพคการ์ดไม่ได้หยุดเพียงแค่นั้นและปรับปรุงคุณภาพของมาตรฐานซีเซียมและตัวบ่งชี้น้ำหนักและขนาดอย่างต่อเนื่อง

นาฬิกาอะตอมตระกูลฮิวเลตต์-แพคการ์ด

ในปี พ.ศ. 2548 แผนกนาฬิกาอะตอมของฮิวเลตต์-แพคการ์ดถูกขายให้กับซิมเมตริกคอม

ร่วมกับซีเซียมซึ่งปริมาณสำรองในธรรมชาติมี จำกัด มากและมีความต้องการที่หลากหลาย สาขาเทคโนโลยีขนาดใหญ่มาก รูบิเดียมถูกใช้เป็นสารบริจาค คุณสมบัติของมันใกล้เคียงกับซีเซียมมาก

ดูเหมือนว่ารูปแบบของนาฬิกาอะตอมที่มีอยู่จะนำไปสู่ความสมบูรณ์แบบ ในขณะเดียวกันก็มีข้อเสียเปรียบที่น่าเสียดายซึ่งการกำจัดเป็นไปได้ในมาตรฐานความถี่ซีเซียมรุ่นที่สองที่เรียกว่าน้ำพุซีเซียม

น้ำพุแห่งกาลเวลาและกากน้ำตาล

แม้จะมีความแม่นยำสูงสุดของ NIST-7 atomic chronometer ซึ่งใช้การตรวจจับสถานะของอะตอมซีเซียมด้วยเลเซอร์ แต่โครงร่างของมันก็ไม่ได้แตกต่างโดยพื้นฐานจากโครงร่างของมาตรฐานความถี่ซีเซียมเวอร์ชันแรก

และข้อบกพร่องในการออกแบบของโครงร่างทั้งหมดนี้คือเป็นไปไม่ได้โดยพื้นฐานแล้วที่จะควบคุมความเร็วการแพร่กระจายของลำแสงของอะตอมซีเซียมที่เคลื่อนที่ในท่อนำคลื่น และแม้จะมีความจริงที่ว่าความเร็วของการเคลื่อนที่ของอะตอมซีเซียมที่อุณหภูมิห้องคือหนึ่งร้อยเมตรต่อวินาที ค่อนข้างเร็ว

นั่นคือเหตุผลที่การปรับเปลี่ยนมาตรฐานซีเซียมทั้งหมดคือการค้นหาความสมดุลระหว่างขนาดของท่อนำคลื่นซึ่งมีเวลาในการดำเนินการกับอะตอมซีเซียมที่รวดเร็วในสองจุด และความแม่นยำในการตรวจจับผลลัพธ์ของผลกระทบนี้ ยิ่งท่อนำคลื่นเล็กลงเท่าใด ก็ยิ่งยากที่จะสร้างพัลส์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่อเนื่องที่ส่งผลต่ออะตอมเดียวกัน

แต่ถ้าเราหาวิธีลดความเร็วในการเคลื่อนที่ของอะตอมซีเซียมล่ะ? มันเป็นความคิดที่นักเรียนของแมสซาชูเซตส์ สถาบันเทคโนโลยี Jerrold Zacharius ผู้ศึกษาอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงต่อพฤติกรรมของอะตอมในช่วงอายุสี่สิบปลายของศตวรรษที่ผ่านมา ต่อมาได้มีส่วนร่วมในการพัฒนา Atomichron มาตรฐานความถี่ซีเซียมที่แปรปรวน Zacharius เสนอแนวคิดของน้ำพุซีเซียมซึ่งเป็นวิธีการลดความเร็วของอะตอมซีเซียมให้เหลือหนึ่งเซนติเมตรต่อวินาทีและกำจัดท่อนำคลื่นสองแขน ของอะตอมออสซิลเลเตอร์แบบดั้งเดิม

แนวคิดของ Zacharius นั้นเรียบง่าย จะเกิดอะไรขึ้นถ้าคุณเรียกใช้อะตอมซีเซียมภายในออสซิลเลเตอร์ในแนวตั้ง จากนั้นอะตอมเดียวกันจะผ่านเครื่องตรวจจับสองครั้ง: ครั้งแรกเมื่อเดินทางขึ้นและครั้งที่สองลง ซึ่งพวกมันจะรีบเร่งภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ในเวลาเดียวกันการเคลื่อนที่ของอะตอมจะช้ากว่าการบินขึ้นมากเนื่องจากในระหว่างการเดินทางในน้ำพุพวกเขาจะสูญเสียพลังงาน น่าเสียดายที่ในช่วงห้าสิบของศตวรรษที่แล้ว Zacharius ไม่สามารถตระหนักถึงความคิดของเขาได้ ในพระองค์ สิ่งอำนวยความสะดวกในการทดลองอะตอมที่เคลื่อนขึ้นมีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมที่ตกลงมา ซึ่งทำให้ความแม่นยำในการตรวจจับลดลง

ความคิดของ Zacharius กลับมาในยุคแปดสิบเท่านั้น นักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด นำโดยสตีเวน ชู ได้ค้นพบวิธีนำน้ำพุซาคาริอุสไปใช้โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า "กากน้ำตาลเชิงแสง"

ในน้ำพุ Chu cesium เมฆของอะตอมซีเซียมที่ยิงขึ้นด้านบนจะถูกทำให้เย็นลงล่วงหน้าโดยระบบของเลเซอร์สามคู่ที่มีทิศทางตรงกันข้ามซึ่งมีความถี่เรโซแนนซ์ต่ำกว่าการสั่นพ้องของอะตอมซีเซียม

ไดอะแกรมของน้ำพุซีเซียมที่มีกากน้ำตาลเชิงแสง

เมื่อเย็นลงด้วยเลเซอร์ อะตอมของซีเซียมจะเริ่มเคลื่อนที่อย่างช้าๆ ราวกับว่าผ่านกากน้ำตาล ความเร็วลดลงเหลือสามเมตรต่อวินาที การลดความเร็วของอะตอมทำให้นักวิจัยมีโอกาสตรวจจับสถานะได้อย่างแม่นยำมากขึ้น (คุณต้องเห็นด้วย การพิจารณาจำนวนรถที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วหนึ่งกิโลเมตรต่อชั่วโมงนั้นง่ายกว่ามากเมื่อเทียบกับรถที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วหนึ่งร้อย กิโลเมตรต่อชั่วโมง)

ลูกบอลของอะตอมซีเซียมที่เย็นตัวลงจะพุ่งขึ้นไปประมาณ 1 เมตร ผ่านท่อนำคลื่นไปตามทาง ซึ่งสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่เรโซแนนซ์ทำหน้าที่บนอะตอม และเครื่องตรวจจับของระบบจับการเปลี่ยนแปลงสถานะของอะตอมเป็นครั้งแรก เมื่อมาถึง "เพดาน" อะตอมที่เย็นลงจะเริ่มตกลงมาเนื่องจากแรงโน้มถ่วงและผ่านท่อนำคลื่นเป็นครั้งที่สอง บน ทางกลับเครื่องตรวจจับจะจับสถานะของพวกเขาอีกครั้ง เนื่องจากอะตอมเคลื่อนที่ช้ามาก การบินของพวกมันในรูปของเมฆที่ค่อนข้างหนาแน่นจึงควบคุมได้ง่าย ซึ่งหมายความว่าจะไม่มีอะตอมบินขึ้นและลงพร้อมกันในน้ำพุ

การติดตั้งน้ำพุซีเซียมของ Chu ได้รับการรับรองโดย NBS เป็นมาตรฐานความถี่ในปี 1998 และตั้งชื่อว่า NIST-F1 ข้อผิดพลาดคือ 4 * 10 -16 ซึ่งหมายความว่า NIST-F1 มีความแม่นยำมากกว่า NIST-7 รุ่นก่อน

ในความเป็นจริง NIST-F1 ถึงขีดจำกัดความแม่นยำในการวัดสถานะของอะตอมซีเซียม แต่นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้หยุดเพียงแค่ชัยชนะครั้งนี้ พวกเขาตัดสินใจที่จะกำจัดข้อผิดพลาดที่นำมาสู่การทำงานของนาฬิกาอะตอมโดยการแผ่รังสีของวัตถุสีดำสนิทซึ่งเป็นผลมาจากการทำงานร่วมกันของอะตอมของซีเซียมกับการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุที่พวกมันเคลื่อนที่ ในโครโนกราฟอะตอม NIST-F2 รุ่นใหม่ น้ำพุซีเซียมถูกวางไว้ในห้องแช่แข็ง ลดการแผ่รังสีของตัวเรือนสีดำจนเกือบเป็นศูนย์ ส่วนต่างของข้อผิดพลาด NIST-F2 นั้นเหลือเชื่อ 3*10 -17

กราฟของการลดลงของความคลาดเคลื่อนของการแปรผันของมาตรฐานความถี่ซีเซียม

ปัจจุบัน นาฬิกาอะตอมที่ใช้น้ำพุซีเซียมทำให้มนุษยชาติมีมาตรฐานเวลาที่แม่นยำที่สุด เมื่อเทียบกับจังหวะของอารยธรรมเทคโนโลยีของเรา ต้องขอบคุณเทคนิคทางวิศวกรรม มาเซอร์ไฮโดรเจนแบบพัลซิ่งที่ทำให้อะตอมซีเซียมเย็นลงใน NIST-F1 และ NIST-F2 เวอร์ชันอยู่กับที่ได้ถูกแทนที่ด้วยลำแสงเลเซอร์แบบเดิมที่จับคู่กับระบบแมกนีโตออปติก สิ่งนี้ทำให้สามารถสร้างขนาดกะทัดรัดและมีเสถียรภาพมาก อิทธิพลภายนอกเวอร์ชันของมาตรฐาน NIST-Fx ที่สามารถทำงานได้ ยานอวกาศ. เรียกโดยนัยว่า "นาฬิกาอะตอมเย็นในอวกาศ" มาตรฐานความถี่เหล่านี้ถูกกำหนดไว้ในดาวเทียมของระบบนำทางเช่น GPS ซึ่งให้การซิงโครไนซ์ที่น่าอัศจรรย์ในการแก้ปัญหาอย่างมาก การคำนวณที่แน่นอนพิกัดของเครื่องรับ GPS ที่ใช้ในแกดเจ็ตของเรา

นาฬิกาอะตอมของน้ำพุซีเซียมรุ่นกะทัดรัดที่เรียกว่า "นาฬิกาอะตอมเย็นในอวกาศ" ใช้ในดาวเทียม GPS

การคำนวณเวลาอ้างอิงดำเนินการโดย "ทั้งมวล" ของ NIST-F2 สิบตัวที่อยู่คนละที่กัน ศูนย์วิจัยร่วมมือกับ NBS ค่าที่แน่นอนของวินาทีปรมาณูจะได้รับโดยรวม ดังนั้นข้อผิดพลาดต่างๆ และอิทธิพลของปัจจัยมนุษย์จึงถูกกำจัดไป

อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ว่าวันหนึ่งมาตรฐานความถี่ซีเซียมจะถูกรับรู้โดยลูกหลานของเราว่าเป็นกลไกที่หยาบมากสำหรับการวัดเวลา เช่นเดียวกับที่เรามองดูการเคลื่อนไหวของลูกตุ้มในนาฬิกาคุณปู่เชิงกลของบรรพบุรุษของเรา

ความรู้สึกได้แพร่กระจายไปทั่วโลกวิทยาศาสตร์ - เวลากำลังระเหยไปจากจักรวาลของเรา! จนถึงตอนนี้ นี่เป็นเพียงสมมติฐานของนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ชาวสเปนเท่านั้น แต่ความจริงที่ว่าการไหลของเวลาบนโลกและในอวกาศนั้นแตกต่างกันได้รับการพิสูจน์แล้วโดยนักวิทยาศาสตร์ เวลาไหลช้าลงภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง เร่งขึ้นเมื่อคุณเคลื่อนออกจากโลก งานของการซิงโครไนซ์เวลาบนโลกและจักรวาลนั้นดำเนินการโดยมาตรฐานความถี่ไฮโดรเจน ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า "นาฬิกาอะตอม"

อันดับแรก เวลาปรมาณูปรากฏขึ้นพร้อมกับการกำเนิดของวิทยาศาสตร์อวกาศ นาฬิกาอะตอมปรากฏขึ้นในช่วงกลางทศวรรษที่ 1920 ตอนนี้นาฬิกาอะตอมได้กลายเป็น สิ่งธรรมดาเราแต่ละคนใช้มันทุกวัน: ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขา มันได้ผล การสื่อสารแบบดิจิทัล, GLONAS, ระบบนำทาง, ระบบขนส่ง

เจ้าของ โทรศัพท์มือถือเราแทบจะไม่คิดถึงการทำงานที่ซับซ้อนในอวกาศเท่าไหร่สำหรับการซิงโครไนซ์เวลาที่คับขัน แต่เรากำลังพูดถึงเพียงหนึ่งในล้านของวินาทีเท่านั้น

มาตรฐานเวลาที่แน่นอนถูกจัดเก็บไว้ในภูมิภาคมอสโกใน สถาบันวิทยาศาสตร์การวัดทางกายภาพและทางเทคนิคและวิทยุ มีนาฬิกาดังกล่าว 450 เรือนในโลก

ผู้ผูกขาดนาฬิกาอะตอมคือรัสเซียและสหรัฐอเมริกา แต่ในสหรัฐอเมริกานาฬิกานั้นใช้ซีเซียม - โลหะกัมมันตภาพรังสีเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมมากและในรัสเซีย - ใช้ไฮโดรเจน - เป็นวัสดุที่ทนทานและปลอดภัยกว่า

นาฬิกาเรือนนี้ไม่มีหน้าปัดและเข็ม: ดูเหมือนกระบอกขนาดใหญ่ที่ทำจากโลหะหายากและมีค่า เต็มไปด้วยเทคโนโลยีขั้นสูงสุด - เครื่องมือวัดความแม่นยำสูงและอุปกรณ์ที่มีมาตรฐานระดับปรมาณู กระบวนการสร้างของพวกเขานั้นยาวซับซ้อนและเกิดขึ้นในสภาวะปลอดเชื้ออย่างแท้จริง

เป็นเวลา 4 ปีแล้วที่นาฬิกาที่ติดตั้งบนดาวเทียมรัสเซียได้รับการศึกษา พลังงานมืด. ตามมาตรฐานของมนุษย์ พวกมันสูญเสียความแม่นยำไป 1 วินาทีในรอบหลายล้านปี

อีกไม่นาน นาฬิกาอะตอมจะถูกติดตั้งบน Spektr-M - หอดูดาวอวกาศซึ่งจะดูว่าดาวฤกษ์และดาวเคราะห์นอกระบบก่อตัวอย่างไร มองข้ามขอบ หลุมดำที่ใจกลางกาแลคซีของเรา ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่มหาศาล เวลาไหลที่นี่ช้ามากจนเกือบจะหยุด

ทีวีรอสคอสมอส

บ่อยครั้งที่เราได้ยินวลีที่ว่านาฬิกาอะตอมแสดงอยู่เสมอ เวลาที่แน่นอน. แต่ดูจากชื่อแล้วเป็นการยากที่จะเข้าใจว่าทำไมนาฬิกาอะตอมถึงแม่นยำที่สุดหรือทำงานอย่างไร

ความจริงที่ว่าชื่อมีคำว่า "ปรมาณู" ไม่ได้หมายความว่านาฬิกาเป็นอันตรายต่อชีวิตแม้ว่าความคิดเกี่ยวกับมันจะปรากฏขึ้นทันที ระเบิดปรมาณูหรือ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์. ที่ กรณีนี้เรากำลังพูดถึงวิธีการทำงานของนาฬิกา ถ้าแบบธรรมดา นาฬิกาจักรกลการเคลื่อนที่แบบสั่นเกิดจากเฟืองและการเคลื่อนไหวจะถูกนับ จากนั้นในนาฬิกาอะตอมจะนับการสั่นสะเทือนของอิเล็กตรอนภายในอะตอม เพื่อให้เข้าใจหลักการทำงานดีขึ้น เรามานึกถึงฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐานกันดีกว่า

สารทั้งหมดในโลกของเราประกอบด้วยอะตอม อะตอมประกอบด้วยโปรตอน นิวตรอน และอิเล็กตรอน โปรตอนและนิวตรอนรวมกันเป็นนิวเคลียสซึ่งเรียกอีกอย่างว่านิวคลีออน อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบๆ นิวเคลียส ซึ่งอาจอยู่ในระดับพลังงานที่แตกต่างกัน สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือเมื่อดูดซับหรือปล่อยพลังงาน อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่จากระดับพลังงานไปยังระดับที่สูงขึ้นหรือต่ำลงได้ อิเล็กตรอนสามารถรับพลังงานจากการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าได้โดยการดูดซับหรือปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่หนึ่งในแต่ละช่วงการเปลี่ยนผ่าน

ส่วนใหญ่มักจะมีนาฬิกาที่ใช้อะตอมของธาตุซีเซียม -133 ในการเปลี่ยนแปลง ถ้าใน 1 วินาทีลูกตุ้ม นาฬิกาธรรมดากระทำ 1 การเคลื่อนที่แบบสั่นแล้วอิเล็กตรอน ในนาฬิกาอะตอมบนพื้นฐานของซีเซียม-133 เมื่อเคลื่อนที่จากระดับพลังงานหนึ่งไปยังอีกระดับหนึ่ง จะปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาด้วยความถี่ 9192631770 เฮิร์ตซ์ ปรากฎว่าหนึ่งวินาทีถูกแบ่งออกเป็นจำนวนช่วงเวลานี้หากคำนวณในนาฬิกาอะตอม ค่านี้ได้รับการยอมรับอย่างเป็นทางการจากประชาคมระหว่างประเทศในปี 2510 ลองนึกภาพหน้าปัดขนาดใหญ่ที่ไม่มี 60 แต่มี 9192631770 ซึ่งใช้เวลาเพียง 1 วินาที ไม่น่าแปลกใจที่นาฬิกาอะตอมมีความแม่นยำและมีข้อดีหลายประการ: อะตอมไม่แก่ ไม่เสื่อมสภาพ และความถี่การสั่นจะเท่ากันเสมอสำหรับองค์ประกอบทางเคมีหนึ่งๆ ซึ่งทำให้สามารถเปรียบเทียบพร้อมกันได้ ตัวอย่างเช่นการอ่านนาฬิกาอะตอมในอวกาศและบนโลกโดยไม่กลัวความผิดพลาด

ต้องขอบคุณนาฬิกาอะตอม ในทางปฏิบัติมนุษย์สามารถทดสอบความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพและตรวจสอบให้แน่ใจว่าไม่ใช่บนโลก นาฬิกาอะตอมถูกติดตั้งบนดาวเทียมและยานอวกาศจำนวนมาก ใช้สำหรับความต้องการด้านโทรคมนาคม สำหรับการสื่อสารเคลื่อนที่ พวกเขาเปรียบเทียบเวลาที่แน่นอนบนโลกทั้งใบ ต้องขอบคุณการประดิษฐ์นาฬิกาอะตอมที่ทำให้มนุษยชาติสามารถเข้าสู่ยุคของเทคโนโลยีชั้นสูง

นาฬิกาอะตอมทำงานอย่างไร?

ซีเซียม-133 ถูกให้ความร้อนโดยการระเหยอะตอมของซีเซียม ซึ่งจะถูกส่งผ่านสนามแม่เหล็ก โดยเลือกอะตอมที่มีสถานะพลังงานที่ต้องการ

จากนั้นอะตอมที่เลือกจะผ่านสนามแม่เหล็กที่มีความถี่ใกล้เคียงกับ 9192631770 Hz ซึ่งจะสร้างออสซิลเลเตอร์แบบควอตซ์ ภายใต้อิทธิพลของสนาม อะตอมของซีเซียมจะเปลี่ยนสถานะพลังงานอีกครั้ง และตกลงบนเครื่องตรวจจับ ซึ่งจะแก้ไขเมื่อ จำนวนมากที่สุดอะตอมที่ตกลงมาจะมีสถานะพลังงาน "ถูกต้อง" จำนวนเงินสูงสุดอะตอมที่มีสถานะพลังงานเปลี่ยนแปลงแสดงว่าเลือกความถี่ของสนามไมโครเวฟได้อย่างถูกต้อง จากนั้นค่าของมันถูกป้อนเข้าสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ - ตัวแบ่งความถี่ซึ่งลดความถี่ด้วยจำนวนเต็มจำนวนครั้ง จะได้หมายเลข 1 ซึ่งเป็นวินาทีอ้างอิง

ดังนั้นจึงใช้อะตอมซีเซียมเพื่อตรวจสอบความถี่ว่าถูกต้องหรือไม่ สนามแม่เหล็กสร้างขึ้นโดยคริสตัลออสซิลเลเตอร์ ช่วยให้คงที่

มันน่าสนใจ: แม้ว่านาฬิกาอะตอมที่มีอยู่ในปัจจุบันจะแม่นยำอย่างไม่เคยมีมาก่อนและเดินได้โดยไม่มีข้อผิดพลาดเป็นเวลาหลายล้านปี แต่นักฟิสิกส์จะไม่หยุดเพียงแค่นั้น โดยใช้อะตอมต่างๆ องค์ประกอบทางเคมีพวกเขาทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงความแม่นยำของนาฬิกาอะตอม จากสิ่งประดิษฐ์ล่าสุด - เปิดนาฬิกาอะตอม สตรอนเทียมซึ่งมีความแม่นยำมากกว่าซีเซียมถึงสามเท่า พวกมันจะใช้เวลา 15,000 ล้านปีในการตามหลังเพียงเสี้ยววินาที ซึ่งนานกว่าอายุของจักรวาลของเรา...

หากคุณพบข้อผิดพลาด โปรดเน้นข้อความและคลิก Ctrl+Enter.

นาฬิกาอะตอมเป็นเครื่องมือวัดเวลาที่แม่นยำที่สุดในปัจจุบัน และกำลังเป็นที่นิยมมากขึ้นเรื่อยๆ มูลค่าที่มากขึ้นกับการพัฒนาและความซับซ้อน เทคโนโลยีที่ทันสมัย.

หลักการทำงาน

นาฬิกาอะตอมไม่ได้รักษาเวลาที่แม่นยำด้วย การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีอาจดูเหมือนจากชื่อ แต่ใช้การสั่นของนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่อยู่รอบๆ ความถี่ของพวกมันถูกกำหนดโดยมวลของนิวเคลียส แรงโน้มถ่วง และ "บาลานซ์เซอร์" ไฟฟ้าสถิตระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่มีประจุบวก มันไม่ตรงกับนาฬิกาปกติ นาฬิกาอะตอมเป็นเครื่องรักษาเวลาที่เชื่อถือได้มากกว่าเนื่องจากความผันผวนไม่เปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับปัจจัยดังกล่าว สิ่งแวดล้อมเช่น ความชื้น อุณหภูมิ หรือความดัน

วิวัฒนาการของนาฬิกาอะตอม

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักว่าอะตอมมีความถี่เรโซแนนซ์ที่เกี่ยวข้องกับความสามารถของแต่ละอะตอมในการดูดซับและปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ในช่วงทศวรรษที่ 1930 และ 1940 อุปกรณ์สื่อสารความถี่สูงและเรดาร์ได้รับการพัฒนาที่สามารถโต้ตอบกับความถี่เรโซแนนซ์ของอะตอมและโมเลกุล สิ่งนี้สนับสนุนแนวคิดของนาฬิกา

สำเนาชุดแรกถูกสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2492 สถาบันแห่งชาติมาตรฐานและเทคโนโลยี (NIST) แอมโมเนียถูกใช้เป็นแหล่งการสั่นสะเทือน อย่างไรก็ตาม พวกมันไม่ได้แม่นยำมากไปกว่ามาตรฐานเวลาที่มีอยู่ และซีเซียมก็ถูกนำมาใช้ในยุคต่อไป

มาตรฐานใหม่

การเปลี่ยนแปลงของความแม่นยำของเวลานั้นยิ่งใหญ่มาก จนในปี 1967 การประชุมสมัชชาว่าด้วยน้ำหนักและการวัดได้กำหนดให้ SI วินาทีเป็นการสั่นสะเทือน 9,192,631,770 อะตอมของซีเซียมที่ความถี่เรโซแนนซ์ ซึ่งหมายความว่าเวลาไม่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของโลกอีกต่อไป นาฬิกาอะตอมที่เสถียรที่สุดในโลกถูกสร้างขึ้นในปี 1968 และถูกใช้เป็นส่วนหนึ่งของระบบอ้างอิงเวลา NIST จนถึงปี 1990

รถปรับปรุง

หนึ่งใน ความสำเร็จล่าสุดในบริเวณนี้เป็นการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ สิ่งนี้ช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนและลดความไม่แน่นอนในสัญญาณนาฬิกา ระบบระบายความร้อนและอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ใช้ในการปรับปรุงนาฬิกาซีเซียมจะต้องใช้พื้นที่ขนาดเท่าตู้รถไฟ แม้ว่าตัวเลือกเชิงพาณิชย์จะใส่ในกระเป๋าเดินทางได้ก็ตาม หนึ่งในการติดตั้งห้องปฏิบัติการเหล่านี้รักษาเวลาในโบลเดอร์ โคโลราโด และมากที่สุด นาฬิกาที่แม่นยำบนพื้น. พวกมันผิดเพียง 2 นาโนวินาทีต่อวัน หรือ 1 วินาทีใน 1.4 ล้านปี

เทคโนโลยีขั้นสูง

ความแม่นยำอันมหาศาลนี้เป็นผลมาจากความซับซ้อน กระบวนการทางเทคโนโลยี. ประการแรก ซีเซียมเหลวจะถูกวางในเตาเผาและให้ความร้อนจนกลายเป็นก๊าซ อะตอมของโลหะจะออกด้วยความเร็วสูงผ่านรูเล็กๆ ในเตา แม่เหล็กไฟฟ้าทำให้พวกเขาแยกออกเป็นลำแสงแยกกันด้วยพลังงานที่แตกต่างกัน ลำแสงที่ต้องการผ่านรูรูปตัว U และอะตอมจะสัมผัสกับพลังงานไมโครเวฟที่ความถี่ 9.192.631.770 Hz ด้วยเหตุนี้พวกเขาจึงตื่นเต้นและย้ายเข้าสู่สถานะพลังงานอื่น จากนั้นสนามแม่เหล็กจะกรองสถานะพลังงานอื่นๆ ของอะตอมออกไป

เครื่องตรวจจับตอบสนองต่อซีเซียมและแสดงค่าสูงสุดที่ ความหมายที่ถูกต้องความถี่ นี่เป็นสิ่งจำเป็นในการตั้งค่าคริสตัลออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมกลไกการตอกบัตร หารความถี่ด้วย 9.192.631.770 ให้หนึ่งพัลส์ต่อวินาที

ไม่ใช่แค่ซีเซียมเท่านั้น

แม้ว่านาฬิกาอะตอมทั่วไปส่วนใหญ่ใช้คุณสมบัติของซีเซียม แต่ก็มีประเภทอื่นเช่นกัน พวกเขาแตกต่างกันในองค์ประกอบที่ใช้และวิธีการกำหนดการเปลี่ยนแปลงของระดับพลังงาน วัสดุอื่นๆ ได้แก่ ไฮโดรเจนและรูบิเดียม นาฬิกาอะตอมไฮโดรเจนทำหน้าที่เหมือนนาฬิกาซีเซียม แต่ต้องมีภาชนะที่มีผนังทำจากวัสดุพิเศษที่ป้องกันไม่ให้อะตอมสูญเสียพลังงานเร็วเกินไป นาฬิการูบิเดียมนั้นเรียบง่ายและกะทัดรัดที่สุด ในนั้น เซลล์แก้วที่เต็มไปด้วยก๊าซรูบิเดียมจะเปลี่ยนการดูดกลืนแสงเมื่อสัมผัสกับความถี่ไมโครเวฟ

ใครต้องการเวลาที่แม่นยำ?

ทุกวันนี้สามารถนับเวลาได้อย่างแม่นยำมาก แต่เหตุใดสิ่งนี้จึงสำคัญ สิ่งนี้จำเป็นในระบบต่างๆ เช่น โทรศัพท์มือถือ อินเทอร์เน็ต GPS รายการการบิน และโทรทัศน์ดิจิทัล เมื่อมองแวบแรกจะไม่ชัดเจน

ตัวอย่างของการใช้เวลาที่ถูกต้องคือการซิงโครไนซ์แพ็กเก็ต ผ่าน สายกลางการสื่อสารผ่านโทรศัพท์นับพันสาย สิ่งนี้เป็นไปได้เพียงเพราะการสนทนาไม่ได้ถูกส่งอย่างสมบูรณ์ บริษัทโทรคมนาคมแยกข้อมูลออกเป็นแพ็กเก็ตเล็กๆ และข้ามข้อมูลบางส่วนไปด้วยซ้ำ จากนั้นพวกเขาจะส่งผ่านสายพร้อมกับกลุ่มของการสนทนาอื่น ๆ และถูกกู้คืนที่ปลายอีกด้านหนึ่งโดยไม่ปะปนกัน ระบบนาฬิกาของชุมสายโทรศัพท์สามารถระบุได้ว่าแพ็กเก็ตใดเป็นของการสนทนาที่กำหนดตามเวลาที่แน่นอนที่ส่งข้อมูล

จีพีเอส

การดำเนินการตามเวลาที่แม่นยำอีกประการหนึ่งคือระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลก ประกอบด้วยดาวเทียม 24 ดวงที่ส่งพิกัดและเวลา เครื่องรับ GPS ทุกเครื่องสามารถเชื่อมต่อและเปรียบเทียบเวลาออกอากาศได้ ความแตกต่างทำให้ผู้ใช้สามารถระบุตำแหน่งของตนได้ หากนาฬิกาเหล่านี้ไม่แม่นยำ ระบบ GPS ก็จะใช้งานไม่ได้และไม่น่าเชื่อถือ

ขีดจำกัดของความสมบูรณ์แบบ

ด้วยการพัฒนาของเทคโนโลยีและนาฬิกาอะตอม ความไม่ถูกต้องของเอกภพจึงสังเกตเห็นได้ชัดเจน โลกเคลื่อนที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งนำไปสู่การผันผวนแบบสุ่มในช่วงปีและวัน ในอดีต การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจไม่มีใครสังเกตเห็นเนื่องจากเครื่องมือบอกเวลาไม่แม่นยำเกินไป อย่างไรก็ตาม สร้างความตกตะลึงให้กับนักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์อย่างมาก เวลาของนาฬิกาอะตอมต้องได้รับการปรับเพื่อชดเชยความผิดปกติ โลกแห่งความจริง. พวกมันเป็นเครื่องมือที่น่าอัศจรรย์สำหรับความก้าวหน้าของเทคโนโลยีสมัยใหม่ แต่ความสมบูรณ์แบบถูกจำกัดด้วยขีดจำกัดที่ธรรมชาติกำหนดขึ้นเอง

ประการแรก นาฬิกาใช้มนุษย์เป็นเครื่องมือในการควบคุมโปรแกรม-เวลา

ประการที่สอง ทุกวันนี้ การวัดเวลายังเป็นประเภทการวัดที่แม่นยำที่สุดในบรรดาการดำเนินการทั้งหมด: ความแม่นยำของการวัดเวลาถูกกำหนดโดยข้อผิดพลาดอย่างไม่น่าเชื่อของลำดับที่ 1 10-11% หรือ 1 วินาทีใน 300,000 ปี

และได้รับความแม่นยำดังกล่าว คนสมัยใหม่เมื่อพวกเขาเริ่มใช้ อะตอมซึ่งเป็นผลมาจากการแกว่งของมัน เป็นตัวควบคุมนาฬิกาอะตอม อะตอมของซีเซียมอยู่ในสองธาตุที่เราต้องการ สถานะพลังงาน(+) และ (-) รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความถี่ 9 192 631 770 เฮิรตซ์เกิดขึ้นเมื่ออะตอมย้ายจากสถานะ (+) ไปยัง (-) สร้างกระบวนการคงที่เป็นระยะที่แม่นยำ - ผู้ควบคุมรหัสนาฬิกาอะตอม

เพื่อให้นาฬิกาอะตอมทำงานได้อย่างถูกต้อง ซีเซียมจะต้องระเหยในเตาเผา ซึ่งเป็นผลมาจากการที่อะตอมของมันถูกขับออกมา ด้านหลังเตาเป็นแม่เหล็กคัดแยกซึ่งมีความจุของอะตอมในสถานะ (+) และเนื่องจากการฉายรังสีในสนามไมโครเวฟ อะตอมจึงเข้าสู่สถานะ (-) แม่เหล็กตัวที่สองนำอะตอมที่เปลี่ยนสถานะ (+) เป็น (-) ไปยังอุปกรณ์รับ อะตอมจำนวนมากที่เปลี่ยนสถานะจะได้รับก็ต่อเมื่อความถี่ของตัวปล่อยคลื่นไมโครเวฟตรงกับความถี่ของการสั่นสะเทือนของซีเซียม 9 192 631 770 เฮิรตซ์ มิฉะนั้น จำนวนอะตอม (-) ในเครื่องรับจะลดลง

เครื่องมือตรวจสอบและปรับความคงที่ของความถี่อย่างต่อเนื่อง 9 192 631 770 เฮิรตซ์ ดังนั้นความฝันของนักออกแบบนาฬิกาจึงเป็นจริง พบกระบวนการคาบคงที่แน่นอน: ความถี่ 9,192,631,770 เฮิรตซ์ ซึ่งควบคุมการเดินของนาฬิกาอะตอม

วันนี้เป็นผล ข้อตกลงระหว่างประเทศ, หนึ่งวินาทีหมายถึงระยะเวลาการแผ่รังสีคูณด้วย 9 192 631 770 ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงระหว่างไฮเปอร์ไฟน์สองตัว ระดับโครงสร้างสถานะพื้นของอะตอมซีเซียม (ไอโซโทปซีเซียม-133)

ในการวัดเวลาที่แน่นอน คุณยังสามารถใช้การสั่นของอะตอมและโมเลกุลอื่นๆ เช่น อะตอมของแคลเซียม รูบิเดียม ซีเซียม สตรอนเทียม โมเลกุลของไฮโดรเจน ไอโอดีน มีเธน เป็นต้น อย่างไรก็ตาม การแผ่รังสีของอะตอมของซีเซียมได้รับการยอมรับว่าเป็น มาตรฐานความถี่ เพื่อเปรียบเทียบการสั่นของอะตอมต่างๆ กับมาตรฐาน (ซีเซียม) เลเซอร์ไททาเนียม-แซฟไฟร์ถูกสร้างขึ้นซึ่งสร้างช่วงความถี่กว้างในช่วงตั้งแต่ 400 ถึง 1,000 นาโนเมตร

ผู้สร้างนาฬิกาควอทซ์และอะตอมคนแรกคือนักฟิสิกส์เชิงทดลองชาวอังกฤษ เอสเซน ลูอิส (2451-2540). ในปี 1955 เขาสร้างมาตรฐานความถี่ (เวลา) ของอะตอมเป็นครั้งแรกบนลำแสงของอะตอมซีเซียม ผลจากการทำงานนี้ 3 ปีต่อมา (พ.ศ. 2501) มีการให้บริการเวลาตามมาตรฐานความถี่อะตอม

ในสหภาพโซเวียต นักวิชาการ Nikolai Gennadievich Basov ได้เสนอแนวคิดของเขาในการสร้างนาฬิกาอะตอม

ดังนั้น, นาฬิกาอะตอม,หนึ่งใน ประเภทที่แน่นอนนาฬิกา - อุปกรณ์สำหรับวัดเวลาซึ่งใช้การสั่นตามธรรมชาติของอะตอมหรือโมเลกุลเป็นลูกตุ้ม ความเสถียรของนาฬิกาอะตอมนั้นดีที่สุดในบรรดาทั้งหมด ประเภทที่มีอยู่ชั่วโมงซึ่งเป็นการรับประกัน ความแม่นยำสูงสุด. เครื่องกำเนิดนาฬิกาอะตอมผลิตมากกว่า 32,768 พัลส์ต่อวินาที ซึ่งแตกต่างจากนาฬิกาทั่วไป การสั่นของอะตอมไม่ได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอากาศ ความสั่นสะเทือน ความชื้น และปัจจัยภายนอกอื่นๆ อีกมากมาย

ที่ โลกสมัยใหม่เมื่อการนำทางเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ นาฬิกาอะตอมจึงกลายเป็นผู้ช่วยที่ขาดไม่ได้ พวกเขาสามารถค้นหา ยานอวกาศ,ดาวเทียม, ขีปนาวุธ,เครื่องบิน,เรือดำน้ำ,รถยนต์โดยอัตโนมัติด้วยดาวเทียม

ดังนั้น ในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา นาฬิกาอะตอมหรือนาฬิกาซีเซียมจึงได้รับการพิจารณาว่ามีความแม่นยำที่สุด มีการใช้งานมานานแล้วในบริการบอกเวลา และสถานีวิทยุบางแห่งก็ออกอากาศสัญญาณบอกเวลาด้วย

อุปกรณ์นาฬิกาอะตอมประกอบด้วย 3 ส่วน:

การเลือกปฏิบัติควอนตัม,

ออสซิลเลเตอร์ควอตซ์,

คอมเพล็กซ์อิเล็กทรอนิกส์

ออสซิลเลเตอร์แบบควอตซ์สร้างความถี่ (5 หรือ 10 MHz) ออสซิลเลเตอร์เป็นเครื่องกำเนิดวิทยุ RC ซึ่งใช้โหมดเพียโซอิเล็กทริกของคริสตัลควอตซ์เป็นองค์ประกอบเรโซแนนซ์โดยเปรียบเทียบอะตอมที่เปลี่ยนสถานะ (+) เป็น (-) เพื่อเพิ่มความเสถียรความถี่ของมันจะคงที่ เมื่อเทียบกับการสั่นของควอนตัมดิสคริมิเนเตอร์ (อะตอมหรือโมเลกุล) เมื่อความแตกต่างของการสั่นปรากฏขึ้น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะปรับความถี่ของควอตซ์ออสซิลเลเตอร์เป็น ระดับศูนย์จึงช่วยปรับปรุงความเสถียรและความแม่นยำของนาฬิกาให้อยู่ในระดับที่ต้องการ

ในโลกสมัยใหม่ นาฬิกาปรมาณูสามารถสร้างขึ้นในประเทศใดก็ได้ในโลกเพื่อใช้ใน ชีวิตประจำวัน. พวกมันมีขนาดเล็กและสวยงามมาก ขนาดของความแปลกใหม่ล่าสุดของนาฬิกาอะตอมไม่เกิน กล่องไม้ขีดและใช้พลังงานต่ำ - น้อยกว่า 1 วัตต์ และนี่อาจไม่ใช่ขีดจำกัดในอนาคต ความก้าวหน้าทางเทคนิคถึงโทรศัพท์มือถือ ในขณะเดียวกัน นาฬิกาอะตอมขนาดกะทัดรัดได้รับการติดตั้งบนขีปนาวุธเชิงกลยุทธ์เท่านั้น เพื่อเพิ่มความแม่นยำในการนำทางหลายเท่า

วันนี้คุณสามารถซื้อนาฬิกาอะตอมสำหรับผู้ชายและผู้หญิงสำหรับทุกรสนิยมและงบประมาณในร้านค้าออนไลน์

ในปี 2011 นาฬิกาอะตอมที่เล็กที่สุดในโลกถูกสร้างขึ้นโดย Symmetricom และ Sandia National Laboratory นาฬิกานี้มีขนาดกะทัดรัดกว่ารุ่นที่วางจำหน่ายในท้องตลาดก่อนหน้านี้ถึง 100 เท่า ขนาดของอะตอมโครโนมิเตอร์ไม่ใหญ่ไปกว่ากล่องไม้ขีดไฟ ต้องการพลังงาน 100 mW ในการทำงาน ซึ่งน้อยกว่ารุ่นก่อนถึง 100 เท่า

สามารถลดขนาดของนาฬิกาได้โดยการติดตั้งกลไกที่ทำงานบนหลักการกำหนดความถี่แทนสปริงและเฟือง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าปล่อยออกมาจากอะตอมของซีเซียมภายใต้การกระทำของลำแสงเลเซอร์ที่มีกำลังเล็กน้อย

นาฬิกาดังกล่าวใช้ในการนำทางเช่นเดียวกับการทำงานของคนงานเหมืองนักดำน้ำซึ่งจำเป็นต้องซิงโครไนซ์เวลากับเพื่อนร่วมงานบนพื้นผิวอย่างแม่นยำรวมถึงบริการเวลาที่แม่นยำเนื่องจากข้อผิดพลาดของนาฬิกาอะตอมมีค่าน้อยกว่า 0.000001 เศษส่วน วินาทีต่อวัน ราคาของนาฬิกาอะตอม Symmetricom ขนาดเล็กที่ทำลายสถิติคือประมาณ 1,500 ดอลลาร์