Bạn đã bao giờ nhận thấy rằng đồng hồ trong nhà của bạn đang hiển thị thời điểm khác nhau? Và làm thế nào để hiểu cái nào trong số tất cả các tùy chọn là đúng? Chúng ta sẽ tìm hiểu câu trả lời cho tất cả những câu hỏi này bằng cách nghiên cứu kỹ lưỡng nguyên lý hoạt động của đồng hồ nguyên tử.

Đồng hồ nguyên tử: mô tả và nguyên lý hoạt động

Đầu tiên chúng ta hãy hiểu cơ chế hoạt động của đồng hồ nguyên tử là gì. Đồng hồ nguyên tử là một thiết bị đo thời gian, nhưng nó sử dụng dao động của chính nó làm tính tuần hoàn của quá trình và mọi thứ xảy ra trên một nguyên tử và Cấp độ phần tử. Do đó độ chính xác.

Có thể nói rằng đồng hồ nguyên tử là chính xác nhất! Chính nhờ chúng mà Internet và chức năng định vị GPS trên thế giới, chúng ta biết được vị trí chính xác của các hành tinh trong hệ mặt trời. Sai số của thiết bị này là tối thiểu đến mức chúng ta có thể tự tin nói rằng chúng đẳng cấp thế giới! Nhờ có đồng hồ nguyên tử, quá trình đồng bộ hóa toàn bộ thế giới diễn ra, người ta biết được vị trí của những thay đổi nhất định.

Ai đã phát minh ra, ai đã tạo ra và cũng là ai đã nghĩ ra chiếc đồng hồ thần kỳ này?

Trở lại đầu những năm bốn mươi của thế kỷ XX, người ta đã biết đến chùm cộng hưởng từ nguyên tử. Lúc đầu, ứng dụng của nó không liên quan đến đồng hồ theo bất kỳ cách nào - nó chỉ là lý thuyết. Nhưng vào năm 1945, Isidor Rabi đã đề xuất tạo ra một thiết bị, khái niệm là chúng hoạt động dựa trên cơ sở của kỹ thuật trên. Nhưng chúng đã được sắp xếp theo cách mà chúng không hiển thị kết quả chính xác. Và vào năm 1949, Cục Tiêu chuẩn Quốc gia đã thông báo cho toàn thế giới về việc tạo ra đồng hồ nguyên tử đầu tiên, dựa trên các hợp chất phân tử của amoniac, và vào năm 1952, các công nghệ đã được thành thạo để tạo ra một nguyên mẫu dựa trên nguyên tử xêzi.

Khi nghe về các nguyên tử amoniac và xêzi, người ta đặt ra câu hỏi, nhưng liệu những chiếc đồng hồ tuyệt vời này có phóng xạ không? Câu trả lời là rõ ràng - không! Chúng không bị phân rã nguyên tử.

Ngày nay, có rất nhiều vật liệu để chế tạo đồng hồ nguyên tử. Ví dụ, đó là silicon, thạch anh, nhôm và thậm chí là bạc.

Thiết bị hoạt động như thế nào?

Hãy cùng xem đồng hồ chạy bằng năng lượng hạt nhân trông như thế nào và hoạt động như thế nào. Để làm điều này, chúng tôi cung cấp mô tả về công việc của họ:

Để hoạt động chính xác của chiếc đồng hồ cụ thể này, không cần con lắc, cũng không cần máy tạo dao động thạch anh. Họ sử dụng các tín hiệu phát sinh do quá trình chuyển đổi lượng tử một êlectron giữa hai mức năng lượng của nguyên tử. Kết quả là, chúng tôi có thể quan sát sóng điện từ. Nói cách khác, chúng tôi nhận được sự dao động thường xuyên và mức độ ổn định hệ thống cực cao. Hàng năm, do những khám phá mới, các quy trình được hiện đại hóa. Cách đây không lâu, các chuyên gia của The National Institute fStandardsand Technology (NIST) đã trở thành nhà vô địch, lập kỷ lục thế giới tuyệt đối. Họ đã có thể đưa độ chính xác của đồng hồ nguyên tử (dựa trên stronti) đến độ lệch tối thiểu, cụ thể là: trong 15 tỷ năm, một giây chạy. Vâng, vâng, đối với bạn, dường như đây không phải là thời đại hiện đang được gán cho Vũ trụ của chúng ta. Đây là một khám phá rất lớn! Rốt cuộc, chính stronti đã phát vai trò thiết yếu trong hồ sơ này. Các nguyên tử chuyển động của stronti trong mạng không gian của nó, được các nhà khoa học tạo ra bằng cách sử dụng tia laser, hoạt động như một chất tương tự của “tích tắc”. Như mọi khi trong khoa học, về lý thuyết mọi thứ đều có vẻ hấp dẫn và đã được cải thiện, nhưng sự không ổn định của một hệ thống như vậy có thể trở nên kém thú vị hơn trong thực tế. Chính vì tính không ổn định của nó mà thiết bị dựa trên cesium đã trở nên phổ biến trên toàn thế giới.

Bây giờ hãy xem xét những gì một thiết bị như vậy bao gồm. Các chi tiết chính ở đây là:

• bộ phân biệt lượng tử;
• máy phát điện bằng thạch anh;
• thiết bị điện tử.

Máy tạo dao động thạch anh là một loại máy tự dao động, nhưng để tạo ra phần tử cộng hưởng, nó sử dụng chế độ áp điện của tinh thể thạch anh.

Có một bộ phân biệt lượng tử và một bộ dao động thạch anh, dưới ảnh hưởng của tần số của chúng, chúng được so sánh và nếu phát hiện thấy sự khác biệt, mạch Phản hồi yêu cầu bộ dao động tinh thể điều chỉnh đến giá trị yêu cầu và cải thiện độ ổn định và độ chính xác. Kết quả là, ở đầu ra, chúng tôi thấy giá trị chính xác trên mặt số, có nghĩa là thời gian chính xác.

Những mẫu ban đầu khá lớn, nhưng vào tháng 10 năm 2013, BathysHawaii đã gây chú ý với việc phát hành đồng hồ đeo tay nguyên tử thu nhỏ. Lúc đầu, mọi người coi câu nói này như một trò đùa, nhưng nhanh chóng hóa ra nó thực sự đúng và chúng hoạt động trên Cơ sở của nguồn nguyên tử Cesium 133 Sự an toàn của thiết bị được đảm bảo bởi nguyên tố phóng xạ được chứa ở dạng khí trong một viên nang đặc biệt. Một bức ảnh về thiết bị này đã được phát tán khắp thế giới.

Nhiều người trong chủ đề về đồng hồ nguyên tử quan tâm đến vấn đề nguồn điện. Pin là pin lithium-ion. Nhưng than ôi, người ta vẫn chưa biết pin như vậy sẽ dùng được bao lâu.

Đồng hồ BathysHawaii thực sự là nguyên tử đầu tiên đồng hồ đeo tay. Trước đây, các trường hợp phát hành một thiết bị tương đối di động đã được biết đến, nhưng thật không may, nó không có nguồn năng lượng nguyên tử mà chỉ được đồng bộ hóa với đồng hồ tổng thể thực qua radio không dây. Nó cũng đáng đề cập đến chi phí của một tiện ích như vậy. Niềm vui ước tính khoảng 12 nghìn đô la Mỹ. Rõ ràng rằng với mức giá như vậy, đồng hồ sẽ không được phổ biến rộng rãi, nhưng công ty đã không phấn đấu vì điều này, bởi vì họ đã phát hành chúng với số lượng rất hạn chế.

Chúng ta biết một số loại đồng hồ nguyên tử. Không có sự khác biệt đáng kể trong thiết kế và nguyên tắc của chúng, nhưng vẫn có một số khác biệt. Vì vậy, những cái chính nằm ở phương tiện tìm kiếm các thay đổi và các yếu tố của chúng. Có thể phân biệt các loại đồng hồ sau:

1. Hiđro. Bản chất của chúng nằm ở chỗ có sự hỗ trợ của các nguyên tử hydro trên đúng mức năng lượng, nhưng các bức tường được làm bằng một vật liệu đặc biệt. Dựa trên điều này, chúng tôi kết luận rằng các nguyên tử hydro rất nhanh chóng mất trạng thái năng lượng của chúng.
2. xêzi. Cơ sở cho chúng là chùm caesium. Điều đáng chú ý là những chiếc đồng hồ này là chính xác nhất.
3. Rubidi. Chúng là đơn giản nhất và rất nhỏ gọn.

Như đã đề cập trước đó, đồng hồ nguyên tử là một thiết bị rất đắt tiền. Như vậy, chiếc đồng hồ bỏ túi Hoptroff số 10 là một đại diện sáng giá của thế hệ đồ chơi mới. Giá của một phụ kiện thời trang và rất chính xác như vậy là 78 ​​nghìn đô la. Chỉ có 12 bản được phát hành. Cơ chế hoạt động của thiết bị này sử dụng hệ thống dao động tần số cao, hệ thống này cũng được trang bị tín hiệu GPS.

Công ty không dừng lại ở đó và đây là phiên bản thứ 10 của đồng hồ mà họ muốn áp dụng phương pháp đặt bộ chuyển động trong một hộp đựng bằng vàng, phương pháp này sẽ được in trên một máy in 3D phổ biến. Người ta vẫn chưa tính toán chính xác bao nhiêu vàng sẽ được sử dụng cho một phiên bản vỏ như vậy, nhưng giá bán lẻ ước tính của kiệt tác này đã được biết - nó lên tới khoảng 50 nghìn bảng Anh. Và nó vẫn chưa giá niêm yết, mặc dù nó có tính đến tất cả các khối lượng nghiên cứu, cũng như tính mới và tính độc đáo của chính tiện ích.

Sự thật lịch sử về việc sử dụng đồng hồ

Làm thế nào, khi nói về đồng hồ nguyên tử, không thể không đề cập đến sự thật thú vị, được liên kết với chúng và thời gian nói chung:

1. Bạn có biết rằng trong ai Cập cổ đạiđồng hồ mặt trời lâu đời nhất từng được tìm thấy?
2. Sai số của đồng hồ nguyên tử là tối thiểu - nó chỉ là 1 giây trong 6 triệu năm.
3. Mọi người đều biết rằng có 60 giây trong một phút. Nhưng có mấy ai nghiên cứu xem một giây là bao nhiêu mili giây? Và chúng không nhiều và không ít - một nghìn!
4. Mọi du khách có dịp đến thăm London chắc chắn đều mong muốn được tận mắt chiêm ngưỡng Big Ben. Nhưng tiếc rằng không nhiều người biết rằng Big Ben hoàn toàn không phải là một tòa tháp mà là tên của một quả chuông khổng lồ nặng 13 tấn ngân vang bên trong tháp.
5. Bạn đã bao giờ tự hỏi tại sao kim đồng hồ của chúng ta lại đi chính xác từ trái sang phải, hoặc làm thế nào chúng ta thường nói "theo chiều kim đồng hồ"? Thực tế này liên quan trực tiếp đến cách bóng chuyển động trên đồng hồ mặt trời.
6. Chiếc đồng hồ đeo tay đầu tiên được phát minh vào năm 1812 gần đây. Chúng được làm bởi người sáng lập Breguet cho Nữ hoàng của Naples.
7. Trước chiến tranh thế giới thứ nhất, đồng hồ đeo tay chỉ được coi là phụ kiện của phụ nữ, nhưng ngay sau đó, do tính tiện dụng nên chúng cũng được bộ phận nam giới lựa chọn.

Năm ngoái, 2012, đã bốn mươi lăm năm kể từ khi nhân loại quyết định sử dụng phương pháp đo thời gian nguyên tử để đo thời gian một cách chính xác nhất có thể. Năm 1967, phạm trù thời gian Quốc tế không còn được xác định bằng thang đo thiên văn - chúng được thay thế bằng tiêu chuẩn tần số xêzi. Chính ông đã nhận được cái tên phổ biến hiện nay - đồng hồ nguyên tử. Thời gian chính xác mà chúng cho phép bạn xác định có sai số không đáng kể là một giây trong ba triệu năm, điều này cho phép chúng được sử dụng làm tiêu chuẩn thời gian ở bất kỳ nơi nào trên thế giới.

Một chút về lịch sử

Ý tưởng sử dụng dao động nguyên tử để đo thời gian siêu chính xác lần đầu tiên được thể hiện vào năm 1879 bởi nhà vật lý người Anh William Thomson. Trong vai trò phát ra các nguyên tử cộng hưởng, nhà khoa học này đã đề xuất việc sử dụng hydro. Những nỗ lực đầu tiên để đưa ý tưởng vào thực tế chỉ được thực hiện vào những năm 1940. thế kỷ XX. Và chiếc đồng hồ nguyên tử hoạt động đầu tiên trên thế giới xuất hiện vào năm 1955 tại Anh. Người tạo ra chúng là nhà vật lý thực nghiệm người Anh, Tiến sĩ Louis Essen. Chiếc đồng hồ này hoạt động dựa trên sự dao động của các nguyên tử cesium-133, và nhờ chúng, các nhà khoa học cuối cùng đã có thể đo thời gian với độ chính xác cao hơn nhiều so với trước đây. Thiết bị đầu tiên của Essen cho phép sai số không quá một giây trong mỗi trăm năm, nhưng sau đó nó tăng lên gấp nhiều lần và sai số trên giây chỉ có thể tích lũy trong 2-3 trăm triệu năm nữa.

Đồng hồ nguyên tử: cách nó hoạt động

Làm thế nào để "thiết bị" tài tình này hoạt động? Là một máy phát tần số cộng hưởng, đồng hồ nguyên tử sử dụng các phân tử hoặc nguyên tử trên mức lượng tử. thiết lập kết nối của hệ thống " hạt nhân nguyên tử- electron ”với một số mức năng lượng rời rạc. Nếu một hệ thống như vậy bị ảnh hưởng với tần suất được chỉ định nghiêm ngặt, thì hệ thống này sẽ từ cấp thấp lên cao. Quá trình ngược lại cũng có thể xảy ra: sự chuyển đổi của một nguyên tử từ nhiều hơn cấp độ cao xuống thấp, kèm theo sự phát ra năng lượng. Những hiện tượng này có thể được kiểm soát và ghi lại tất cả các bước nhảy năng lượng bằng cách tạo ra một cái gì đó giống như một mạch dao động (nó còn được gọi là dao động nguyên tử). Tần số cộng hưởng của nó sẽ tương ứng với sự chênh lệch năng lượng giữa các mức chuyển tiếp nguyên tử lân cận, chia cho hằng số Planck.

Như là mạch dao động có những lợi thế không thể phủ nhận so với những người tiền nhiệm về cơ khí và thiên văn của nó. Đối với một bộ dao động nguyên tử như vậy, tần số cộng hưởng của các nguyên tử của bất kỳ chất nào sẽ giống nhau, điều này không thể nói về con lắc và quả tinh thể. Ngoài ra, nguyên tử không thay đổi tính chất của chúng theo thời gian và không bị hao mòn. Do đó, đồng hồ nguyên tử là máy đo thời gian cực kỳ chính xác và gần như vĩnh cửu.

Thời gian chính xác và công nghệ hiện đại

Mạng viễn thông, thông tin liên lạc vệ tinh, GPS, máy chủ NTP, giao dịch điện tử trên sàn chứng khoán, đấu giá trực tuyến, thủ tục mua vé qua Internet - tất cả những hiện tượng này và nhiều hiện tượng khác đã có từ lâu trong cuộc sống của chúng ta. Nhưng nếu nhân loại không phát minh ra đồng hồ nguyên tử, thì tất cả những điều này đơn giản sẽ không xảy ra. Thời gian chính xác, đồng bộ hóa cho phép bạn giảm thiểu mọi sai sót, chậm trễ và chậm trễ, cho phép một người tận dụng tối đa nguồn tài nguyên vô giá không thể thay thế này, vốn không bao giờ là quá nhiều.

Đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao sai số 1 giây trong 300 triệu năm. Chiếc đồng hồ này, đã thay thế một mẫu đồng hồ cũ có sai số một giây trong hàng trăm triệu năm, giờ đây đã thiết lập tiêu chuẩn cho thời gian dân dụng của Mỹ. Lenta.ru quyết định nhớ lại lịch sử hình thành đồng hồ nguyên tử.

Nguyên tử đầu tiên

Để tạo ra một chiếc đồng hồ, chỉ cần sử dụng bất kỳ quy trình tuần hoàn nào là đủ. Và lịch sử của sự xuất hiện của các dụng cụ đo thời gian một phần là lịch sử của sự xuất hiện của nguồn năng lượng mới hoặc hệ thống dao động mới được sử dụng trong đồng hồ. Đồng hồ đơn giản nhất có lẽ là đồng hồ mặt trời, chỉ cần mặt trời và một vật thể đổ bóng để hoạt động. Những nhược điểm của phương pháp xác định thời gian này là rõ ràng. Đồng hồ nước và đồng hồ cũng không tốt hơn: chúng chỉ thích hợp để đo những khoảng thời gian tương đối ngắn.

Cổ xưa nhất đồng hồ cơđược tìm thấy vào năm 1901 gần đảo Antikythera trên một con tàu bị chìm ở Biển Aegean. Chúng chứa khoảng 30 bánh răng bằng đồng trong một hộp gỗ có kích thước 33 x 18 x 10 cm và có niên đại khoảng 100 năm trước Công nguyên.

Trong gần hai nghìn năm, đồng hồ cơ là chính xác và đáng tin cậy nhất. Sự xuất hiện vào năm 1657 của tác phẩm kinh điển của Christian Huygens "Đồng hồ quả lắc" ("Horologium Oscillatorium, sive de motuuddulorum an horologia aptato Demonsrationes hình học") với mô tả về một thiết bị tham chiếu thời gian với con lắc như một hệ dao động, có lẽ là apogee trong lịch sử phát triển của các thiết bị cơ khí kiểu này.

Tuy nhiên, các nhà thiên văn và hàng hải vẫn sử dụng bầu trời đầy sao và bản đồ để xác định vị trí và thời gian chính xác của chúng. Đồng hồ điện đầu tiên được phát minh vào năm 1814 bởi Francis Ronalds. Tuy nhiên, thiết bị đầu tiên như vậy không chính xác do độ nhạy của nó với sự thay đổi nhiệt độ.

Lịch sử xa hơn của đồng hồ được kết nối với việc sử dụng các hệ thống dao động khác nhau trong các thiết bị. Được giới thiệu vào năm 1927 bởi các nhân viên của Phòng thí nghiệm Bell, đồng hồ thạch anh sử dụng các đặc tính áp điện của tinh thể thạch anh: khi tiếp xúc với dòng điện tinh thể bắt đầu co lại. Máy đo thời gian bằng thạch anh hiện đại có thể đạt độ chính xác lên đến 0,3 giây mỗi tháng. Tuy nhiên, vì thạch anh có thể bị lão hóa, theo thời gian, đồng hồ trở nên kém chính xác hơn.

Với sự phát triển của vật lý nguyên tử, các nhà khoa học đề xuất sử dụng các hạt vật chất làm hệ dao động. Đây là cách chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên xuất hiện. Ý tưởng về khả năng sử dụng dao động nguyên tử của hydro để đo thời gian đã được đề xuất vào năm 1879 bởi Nhà vật lý người Anh Tuy nhiên, Lord Kelvin chỉ đến giữa thế kỷ 20, điều này mới trở nên khả thi.

Bản sao một bức tranh của Hubert von Herkomer (1907)

Vào những năm 1930, nhà vật lý người Mỹ và là người phát hiện ra cộng hưởng từ hạt nhân, Isidore Rabi, bắt đầu nghiên cứu đồng hồ nguyên tử với cesium-133, nhưng chiến tranh bùng nổ đã ngăn cản anh ta. Ngay sau chiến tranh, vào năm 1949, lần đầu tiên đồng hồ phân tử sử dụng các phân tử amoniac. Nhưng những công cụ đầu tiên như vậy để đo thời gian không chính xác như đồng hồ nguyên tử hiện đại.

Độ chính xác tương đối thấp là do thực tế là do sự tương tác của các phân tử amoniac với nhau và với thành của bình chứa chất này, năng lượng của các phân tử đã thay đổi, và vạch quang phổ mở rộng. Hiệu ứng này rất giống với lực ma sát trong đồng hồ cơ.

Sau đó, vào năm 1955, Louis Esssen của Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia của Vương quốc Anh đã giới thiệu chiếc đồng hồ nguyên tử cesium-133 đầu tiên. Đồng hồ này tích lũy sai số một giây trong một triệu năm. Thiết bị này được đặt tên là NBS-1 và bắt đầu được coi là tiêu chuẩn tần số xêzi.

sơ đồ mạchĐồng hồ nguyên tử bao gồm một bộ dao động tinh thể được điều khiển bởi một bộ phân biệt phản hồi. Bộ dao động sử dụng các đặc tính áp điện của thạch anh, trong khi bộ phân biệt sử dụng năng lượng dao động của các nguyên tử, do đó các dao động của thạch anh được theo dõi bằng các tín hiệu từ sự chuyển đổi từ các mức năng lượng khác nhau trong nguyên tử hoặc phân tử. Giữa bộ tạo và bộ phân biệt có một bộ bù được điều chỉnh theo tần số dao động nguyên tử và so sánh nó với tần số dao động của tinh thể.

Các nguyên tử được sử dụng trong đồng hồ phải cung cấp dao động ổn định. Đối với mỗi tần số bức xạ điện từ có các nguyên tử riêng của chúng: canxi, stronti, rubidi, xêzi, hydro. Hoặc thậm chí các phân tử của amoniac và iốt.

tiêu chuẩn thời gian

Với sự ra đời của các dụng cụ đo thời gian nguyên tử, người ta có thể sử dụng chúng như một tiêu chuẩn chung để xác định giây. Kể từ năm 1884, thời gian Greenwich, được coi là tiêu chuẩn thế giới, đã nhường chỗ cho tiêu chuẩn của đồng hồ nguyên tử. Năm 1967, theo quyết định của Đại hội cân và đo lường lần thứ 12, một giây được xác định là khoảng thời gian của 9192631770 giai đoạn bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức siêu mịn của trạng thái cơ bản của nguyên tử xêzi-133. Định nghĩa về giây này không phụ thuộc vào các thông số thiên văn và có thể được tái tạo ở bất kỳ đâu trên hành tinh. Cesium-133, được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử tiêu chuẩn, là đồng vị ổn định duy nhất của xêzi với độ phong phú 100% trên Trái đất.

Đồng hồ nguyên tử cũng được sử dụng trong hệ thống định vị vệ tinh; chúng cần thiết để xác định thời gian và tọa độ chính xác của vệ tinh. Do đó, mỗi vệ tinh GPS có bốn bộ đồng hồ như vậy: hai rubidi và hai caesium, cung cấp độ chính xác truyền tín hiệu là 50 nano giây. Các vệ tinh của hệ thống GLONASS của Nga cũng có các dụng cụ đo thời gian nguyên tử xêzi và rubidi, và các vệ tinh của hệ thống định vị địa chất châu Âu Galileo được trang bị hydro và rubidi.

Độ chính xác của đồng hồ hydro là cao nhất. Nó là 0,45 nano giây trong 12 giờ. Rõ ràng, Galileo sử dụng đồng hồ chính xác sẽ đưa hệ thống định vị này lên hàng đầu vào năm 2015, khi 18 vệ tinh của nó sẽ ở trên quỹ đạo.

Đồng hồ nguyên tử nhỏ gọn

Hewlett-Packard là công ty đầu tiên phát triển đồng hồ nguyên tử nhỏ gọn. Năm 1964, bà đã tạo ra thiết bị caesium HP 5060A, có kích thước bằng một chiếc vali lớn. Công ty tiếp tục phát triển theo hướng này nhưng từ năm 2005 đã bán bộ phận đồng hồ nguyên tử cho Symmetricom.

Năm 2011, Phòng thí nghiệm Draper và Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia đã phát triển và Symmetricom phát hành đồng hồ nguyên tử thu nhỏ Quantum đầu tiên. Tại thời điểm phát hành, chúng có giá khoảng 15 nghìn đô la, được đựng trong một hộp kín có kích thước 40 x 35 x 11 mm và nặng 35 gram. Mức tiêu thụ điện của đồng hồ nhỏ hơn 120 miliwatt. Ban đầu, chúng được phát triển theo đơn đặt hàng của Lầu Năm Góc và nhằm phục vụ các hệ thống định vị hoạt động độc lập với hệ thống GPS, ví dụ như ở sâu dưới nước hoặc trên cạn.

Vào cuối năm 2013, công ty Bathys Hawaii của Mỹ đã giới thiệu chiếc đồng hồ nguyên tử "đeo tay" đầu tiên. Họ sử dụng chip SA.45s do Symmetricom sản xuất làm thành phần chính. Bên trong con chip là một viên nang chứa cesium-133. Thiết kế của đồng hồ cũng bao gồm tế bào quang điện và tia laser công suất thấp. Loại thứ hai cung cấp sự đốt nóng của xêzi thể khí, do đó các nguyên tử của nó bắt đầu chuyển từ một mức năng lượng nữa. Việc đo lường thời gian chỉ được thực hiện bằng cách cố định một quá trình chuyển đổi như vậy. Chi phí của thiết bị mới là khoảng 12 nghìn đô la.

Xu hướng thu nhỏ, tự chủ và chính xác sẽ dẫn đến một thực tế là trong tương lai gần sẽ có những thiết bị mới sử dụng đồng hồ nguyên tử trong mọi lĩnh vực cuộc sống con người, bắt đầu bằng nghiên cứu không gian trên vệ tinh quay quanh quỹ đạo và các trạm đến các ứng dụng trong nước trong hệ thống phòng và cổ tay.

Đồng hồ nguyên tử là công cụ đo thời gian chính xác nhất hiện nay và ngày càng trở nên phổ biến. giá trị lớn hơn với sự phát triển và phức tạp công nghệ hiện đại.

Nguyên lý hoạt động

Đồng hồ nguyên tử không giữ được thời gian chính xác nhờ phân rã phóng xạ, giống như tên gọi của chúng, nhưng nó sử dụng dao động của hạt nhân và các electron xung quanh chúng. Tần số của chúng được xác định bởi khối lượng của hạt nhân, lực hấp dẫn và "bộ cân bằng" tĩnh điện giữa hạt nhân mang điện tích dương và các electron. Nó không hoàn toàn phù hợp với kim đồng hồ thông thường. Đồng hồ nguyên tử là những người lưu giữ thời gian đáng tin cậy hơn vì sự dao động của chúng không thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố như vậy. môi trường như độ ẩm, nhiệt độ hoặc áp suất.

Sự phát triển của đồng hồ nguyên tử

Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã nhận ra rằng các nguyên tử có tần số cộng hưởng liên quan đến khả năng hấp thụ và phát ra bức xạ điện từ của mỗi nguyên tử. Trong những năm 1930 và 1940, thiết bị radar và thông tin liên lạc tần số cao đã được phát triển có thể tương tác với tần số cộng hưởng của các nguyên tử và phân tử. Điều này đã góp phần tạo nên ý tưởng về chiếc đồng hồ.

Các bản sao đầu tiên được xây dựng vào năm 1949 Viện quốc gia tiêu chuẩn và công nghệ (NIST). Amoniac được sử dụng như một nguồn rung động. Tuy nhiên, chúng không chính xác hơn nhiều so với tiêu chuẩn thời gian hiện tại và xêzi đã được sử dụng trong thế hệ tiếp theo.

tiêu chuẩn mới

Sự thay đổi về độ chính xác thời gian lớn đến mức vào năm 1967, Hội nghị chung về trọng lượng và đo lường đã xác định giây SI là 9.192.631.770 dao động của một nguyên tử xêzi ở tần số cộng hưởng của nó. Điều này có nghĩa là thời gian không còn liên quan đến chuyển động của Trái đất. Đồng hồ nguyên tử ổn định nhất trên thế giới được tạo ra vào năm 1968 và được sử dụng như một phần của hệ quy chiếu thời gian NIST cho đến những năm 1990.

Xe cải tiến

Một trong những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực này là làm mát bằng laser. Điều này đã cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu và giảm độ không chắc chắn trong tín hiệu đồng hồ. Hệ thống làm mát này và các thiết bị khác được sử dụng để cải tiến đồng hồ cesium sẽ yêu cầu không gian có kích thước bằng toa xe lửa để chứa nó, mặc dù các tùy chọn thương mại có thể nằm gọn trong một chiếc vali. Một trong những cơ sở thí nghiệm này lưu giữ thời gian ở Boulder, Colorado, và là đồng hồ chính xác nhất trên Trái đất. Chúng chỉ sai 2 nano giây mỗi ngày, hoặc 1 giây trong 1,4 triệu năm.

Công nghệ tinh vi

Độ chính xác khủng khiếp này là kết quả của sự phức tạp Quy trình công nghệ. Trước hết, xêzi lỏng được đặt trong lò và nung nóng cho đến khi nó chuyển thành khí. Các nguyên tử kim loại thoát ra với tốc độ cao qua một lỗ nhỏ trong lò. Các nam châm điện khiến chúng phân tách thành các chùm tia riêng biệt với các năng lượng khác nhau. Chùm sáng cần thiết đi qua lỗ hình chữ U, và các nguyên tử tiếp xúc với năng lượng vi sóng ở tần số 9.192.631.770 Hz. Do đó, chúng bị kích thích và chuyển sang trạng thái năng lượng khác. Sau đó, từ trường lọc bỏ các trạng thái năng lượng khác của nguyên tử.

Máy dò phản ứng với xêzi và hiển thị giá trị tối đa ở đúng nghĩa tần số. Điều này là cần thiết để thiết lập bộ dao động tinh thể điều khiển cơ chế đồng hồ. Chia tần số của nó cho 9.192.631.770 sẽ cho một xung mỗi giây.

Không chỉ caesium

Mặc dù đồng hồ nguyên tử phổ biến nhất sử dụng các đặc tính của xêzi, nhưng cũng có những loại khác. Chúng khác nhau về yếu tố được áp dụng và phương tiện xác định sự thay đổi mức năng lượng. Các vật liệu khác là hydro và rubidi. Đồng hồ nguyên tử hydro hoạt động giống như đồng hồ caesium, nhưng yêu cầu một thùng chứa có vách làm bằng vật liệu đặc biệt để ngăn các nguyên tử mất năng lượng quá nhanh. Đồng hồ rubidi là loại đơn giản và nhỏ gọn nhất. Trong chúng, một ô thủy tinh chứa đầy rubidi thể khí sẽ thay đổi sự hấp thụ ánh sáng khi tiếp xúc với tần số vi sóng.

Ai cần thời gian chính xác?

Ngày nay, thời gian có thể được đếm với độ chính xác cực cao, nhưng tại sao điều này lại quan trọng? Điều này là cần thiết trong các hệ thống như điện thoại di động, internet, GPS, các chương trình hàng không và truyền hình kỹ thuật số. Thoạt nhìn, điều này không rõ ràng.

Một ví dụ về cách sử dụng thời gian chính xác là đồng bộ hóa gói. Bởi vì đường giữa thông tin liên lạc trải qua hàng ngàn cuộc điện thoại. Điều này chỉ có thể xảy ra vì cuộc trò chuyện không được truyền hoàn toàn. Công ty viễn thông chia nó thành các gói nhỏ và thậm chí bỏ qua một số thông tin. Sau đó, chúng đi qua đường dây cùng với các gói cuộc trò chuyện khác và được khôi phục ở đầu bên kia mà không bị trộn lẫn. Hệ thống đồng hồ tổng đài điện thoại có thể xác định gói tin nào thuộc về một cuộc hội thoại nhất định vào thời điểm chính xác thông tin được gửi đi.

GPS

Một triển khai khác của thời gian chính xác là hệ thống định vị toàn cầu. Nó bao gồm 24 vệ tinh truyền tọa độ và thời gian của chúng. Bất kỳ bộ thu GPS nào cũng có thể kết nối với chúng và so sánh thời gian phát sóng. Sự khác biệt cho phép người dùng xác định vị trí của họ. Nếu những chiếc đồng hồ này không chính xác lắm, thì hệ thống GPS sẽ không thực tế và không đáng tin cậy.

Giới hạn của sự hoàn hảo

Với sự phát triển của công nghệ và đồng hồ nguyên tử, sự thiếu chính xác của vũ trụ trở nên đáng chú ý. Trái đất chuyển động không đều, dẫn đến những biến động ngẫu nhiên về độ dài của năm và ngày. Trước đây, những thay đổi này sẽ không được chú ý vì các công cụ chấm công quá không chính xác. Tuy nhiên, trước sự thất vọng của các nhà nghiên cứu và khoa học, thời gian của đồng hồ nguyên tử đã phải được điều chỉnh để bù đắp cho sự bất thường. thế giới thực. Chúng là những công cụ tuyệt vời để phát triển công nghệ hiện đại, nhưng sự hoàn hảo của chúng bị giới hạn bởi những giới hạn do tự nhiên đặt ra.

Đồng hồ nguyên tử ngày 27 tháng 1 năm 2016

Thụy Sĩ, hay thậm chí là Nhật Bản, sẽ không phải là nơi sản sinh ra chiếc đồng hồ bỏ túi đầu tiên trên thế giới với tiêu chuẩn thời gian nguyên tử được tích hợp sẵn. Ý tưởng sáng tạo của họ bắt nguồn từ trung tâm của Vương quốc Anh từ thương hiệu Hoptroff có trụ sở tại London

Atomic, hay như chúng còn được gọi là "đồng hồ lượng tử", là một thiết bị đo thời gian bằng cách sử dụng các dao động tự nhiên liên quan đến các quá trình xảy ra ở cấp độ nguyên tử hoặc phân tử. Richard Hoptroff quyết định rằng đã đến lúc những quý ông hiện đại quan tâm đến các thiết bị công nghệ cao nên thay đổi những chiếc đồng hồ cơ bỏ túi của mình để có một thứ gì đó sang trọng và khác thường hơn, đồng thời cũng phù hợp với xu hướng đô thị hiện đại.

Vì vậy, công chúng đã được xem một chiếc đồng hồ nguyên tử bỏ túi thanh lịch Hoptroff No. 10, có thể gây ngạc nhiên cho thế hệ hiện đại, bị cám dỗ bởi vô số tiện ích, không chỉ với phong cách cổ điển và độ chính xác tuyệt vời, mà còn với tuổi thọ sử dụng của nó. Theo các nhà phát triển, có chiếc đồng hồ này bên mình, bạn sẽ có thể trở thành người đúng giờ nhất trong ít nhất 5 tỷ năm nữa.

Bạn có thể tìm hiểu điều gì khác thú vị về chúng ...

Ảnh 2.

Đối với tất cả những người chưa bao giờ quan tâm đến những chiếc đồng hồ như vậy, điều đáng giá là mô tả ngắn gọn nguyên lý hoạt động của chúng. Bên trong "thiết bị nguyên tử" không có gì giống với một chiếc đồng hồ cơ cổ điển. Trong Hoptroff không. 10 không có bộ phận cơ khí như vậy. Thay vào đó, đồng hồ bỏ túi nguyên tử được trang bị một buồng kín chứa đầy chất phóng xạ chất khí, nhiệt độ được kiểm soát bởi một lò nung đặc biệt. Thời gian chính xác như sau: laser kích thích các nguyên tử nguyên tố hóa học, là một loại "phụ kiện" của đồng hồ, và bộ cộng hưởng thu nhận và đo lường từng quá trình chuyển đổi nguyên tử. Ngày nay, nguyên tố cơ bản của các thiết bị như vậy là xêzi. Nếu chúng ta nhớ lại hệ đơn vị SI, thì giá trị của giây được kết nối với số chu kỳ bức xạ điện từ trong quá trình chuyển đổi nguyên tử xêzi-133 từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác.

Ảnh 3.

Nếu như ở smartphone chip xử lý được coi là trái tim của thiết bị thì ở Hoptroff No. 10 vai trò này được thực hiện bởi bộ tạo mô-đun của thời gian tham chiếu. Nó được cung cấp bởi Symmetricom và bản thân con chip này ban đầu được tập trung sử dụng trong ngành công nghiệp quân sự - trong các phương tiện bay không người lái.

Đồng hồ nguyên tử CSAC được trang bị một bộ điều nhiệt được kiểm soát nhiệt độ có chứa một buồng hơi cesium. Dưới ảnh hưởng của tia laze lên các nguyên tử xêzi-133, sự chuyển đổi của chúng từ một trạng thái năng lượng sang một phương pháp khác, để đo trong đó bộ cộng hưởng vi sóng được sử dụng. Kể từ năm 1967 Hệ thống quốc tếđơn vị (SI) định nghĩa một giây là 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ điện từ phát sinh từ sự chuyển đổi giữa hai mức siêu mịn của trạng thái cơ bản của nguyên tử xêzi-133. Dựa trên điều này, rất khó để hình dung một chiếc đồng hồ chính xác hơn về mặt kỹ thuật dựa trên xêzi. Theo thời gian, xem xét thành tích gần đây trong lĩnh vực đo thời gian, độ chính xác của đồng hồ quang học mới dựa trên một ion nhôm tạo xung với tần số tia cực tím(Cao gấp 100.000 lần tần số vi sóng của đồng hồ caesium), cao hơn hàng trăm lần so với độ chính xác của máy đo thời gian nguyên tử. Nói bằng ngôn ngữ đơn giản, Chiếc đồng hồ bỏ túi No.10 mới của Hoptroff có độ chính xác 0,0015 giây mỗi năm, tốt hơn 2,4 triệu lần so với tiêu chuẩn COSC.

Ảnh 4.

Mặt chức năng của thiết bị cũng đang trên đà tưởng tượng. Với nó, bạn có thể tìm ra: thời gian, ngày, thứ trong tuần, năm, vĩ độ và kinh độ ở các giá trị khác nhau, áp suất, độ ẩm, giờ và phút cận kề, dự báo thủy triều và nhiều chỉ số khác. Đồng hồ được làm bằng vàng và nó được lên kế hoạch sử dụng in 3D để tạo ra vỏ kim loại quý của nó.

Richard Hoptrof chân thành tin rằng lựa chọn sản xuất cụ thể này cho con cái của ông là phù hợp nhất. Để thay đổi một chút thành phần thiết kế của thiết kế, sẽ không cần thiết phải xây dựng lại dây chuyền sản xuất mà phải sử dụng tính linh hoạt về chức năng của thiết bị in 3D cho việc này. Đúng vậy, điều đáng chú ý là chiếc đồng hồ nguyên mẫu được trình diễn được làm theo cách cổ điển.

Ảnh 5.

Thời gian là rất quý giá trong những ngày này, và đồng hồ bỏ túi Hoptroff No. 10 là một xác nhận trực tiếp về điều này. Theo thông tin sơ bộ, đợt đầu tiên thiết bị hạt nhân sẽ là 12 đơn vị, và về chi phí, giá cho 1 bản sao sẽ là $ 78,000.

Ảnh 6.

Theo Richard Hoptroff, Giám đốc điều hành của thương hiệu, dinh thự của Hoptroff ở London đóng vai trò quan trọng trong ý tưởng. “Trong các chuyển động thạch anh của mình, chúng tôi sử dụng hệ thống dao động chính xác cao với tín hiệu GPS. Nhưng ở trung tâm London, không dễ để bắt được tín hiệu này. Một lần, trong chuyến đi đến Đài thiên văn Greenwich, tôi nhìn thấy một chiếc đồng hồ nguyên tử Hewlett Packard ở đó và quyết định mua một thứ tương tự cho mình qua Internet. Và tôi không thể. Thay vào đó, tôi tìm thấy thông tin về một con chip Symmetricon, và sau ba ngày suy nghĩ, tôi nhận ra rằng nó sẽ hoàn hảo cho một chiếc đồng hồ bỏ túi ”.

Con chip về cái nào trong câu hỏi, là đồng hồ nguyên tử xêzi SA.45s (CSAC), thuộc thế hệ đồng hồ nguyên tử thu nhỏ đầu tiên dành cho máy thu GPS, đài ba lô và xe không người lái. Mặc dù có kích thước khiêm tốn (40 mm x 34,75 mm), nó khó có thể vừa với một chiếc đồng hồ đeo tay. Vì vậy, Hoptroff đã quyết định trang bị cho họ một mẫu túi khá chắc chắn (đường kính 82 mm).

Ngoài việc là chiếc đồng hồ chính xác nhất trên thế giới, Hoptroff No 10 (bộ máy thứ mười của thương hiệu) còn khẳng định là chiếc vỏ vàng đầu tiên được làm bằng công nghệ in 3D. Hoptroff vẫn chưa chắc sẽ cần bao nhiêu vàng để chế tạo vỏ máy (công việc trên nguyên mẫu đầu tiên đã được hoàn thành khi vấn đề được báo chí), nhưng cho rằng chi phí của nó sẽ là "tối thiểu vài nghìn bảng Anh." Và xem xét toàn bộ khối lượng nghiên cứu khoa học cần thiết để phát triển sản phẩm (hãy nghĩ đến chức năng thủy triều hài hòa cho 3.000 cổng khác nhau), chúng tôi có thể mong đợi giá bán lẻ cuối cùng của nó vào khoảng 50.000 bảng Anh.

Vỏ vàng của mô hình số 10 ở lối ra từ máy in 3D và ở dạng hoàn thiện

Người mua tự động trở thành thành viên của một câu lạc bộ độc quyền và sẽ phải ký cam kết bằng văn bản không sử dụng chip đồng hồ nguyên tử làm vũ khí. “Đây là một trong những điều khoản trong hợp đồng của chúng tôi với nhà cung cấp,” ông Hoptroff giải thích, “bởi vì con chip nguyên tử ban đầu được sử dụng trong các hệ thống dẫn đường tên lửa.” Không nhiều để có thể có được một chiếc đồng hồ với độ chính xác hoàn hảo.

Những chủ nhân may mắn của số 10 của Hoptroff sẽ có nhiều thứ hơn là chỉ có một chiếc đồng hồ có độ chính xác cao theo ý của họ. Mô hình này cũng đóng vai trò như một thiết bị định vị bỏ túi, cho phép xác định kinh độ trong phạm vi một hải lý, thậm chí sau nhiều năm trên biển, bằng cách sử dụng một bộ nối đơn giản. Mô hình sẽ nhận được hai mặt số, nhưng thiết kế của một trong số chúng vẫn được giữ bí mật. Cái còn lại là một cơn lốc các bộ đếm hiển thị tới 28 biến chứng: từ tất cả các chức năng đo thời gian và chỉ báo lịch đến la bàn, nhiệt kế, ẩm kế (thiết bị đo mức độ ẩm), khí áp kế, bộ đếm vĩ độ và kinh độ và chỉ số cao / thủy triều thấp. Và đây là chưa kể đến các chỉ số quan trọng về trạng thái của bộ điều nhiệt nguyên tử.

Hoptroff dự định tung ra một số sản phẩm mới, bao gồm phiên bản điện tử của chiếc đồng hồ Du hành vũ trụ phức tạp huyền thoại của George Daniels. Họ hiện đang được nghiên cứu để tích hợp công nghệ Bluetooth vào đồng hồ để lưu trữ thông tin cá nhân của người đeo và cho phép tự động điều chỉnh các biến chứng như hiển thị tuần trăng.

Các bản sao đầu tiên của No.10 sẽ xuất hiện trong năm sau trong khi công ty đang tìm kiếm đối tác phù hợp giữa các nhà bán lẻ. “Chúng tôi chắc chắn có thể cố gắng bán nó trực tuyến, nhưng đây là một mô hình cao cấp, vì vậy bạn vẫn cần phải cầm trên tay để đánh giá cao nó. Điều này có nghĩa là chúng tôi sẽ vẫn phải sử dụng dịch vụ của các nhà bán lẻ, và chúng tôi đã sẵn sàng để bắt đầu đàm phán, ”ông Hoptroff kết luận.

Và ngay cả Bài viết gốc trên trang web InfoGlaz.rf Liên kết đến bài báo mà từ đó bản sao này được tạo ra -