Stručná historie vzhledu přístrojů pro měření atomového času. Atomové hodiny: přesný čas je klíčem k pokroku

Čas, navzdory skutečnosti, že vědci stále nemohou konečně odhalit jeho pravou podstatu, má stále své vlastní jednotky měření stanovené lidstvem. A výpočetní zařízení zvané hodiny. Jaké jsou jejich odrůdy, jaké jsou nejpřesnější hodinky na světě? O tom bude řeč v našem dnešním materiálu.

Jaké jsou nejpřesnější hodinky na světě?

Jsou považovány za atomové - mají nepatrné chyby, které mohou dosáhnout pouze sekund za miliardu let. 2. neméně čestné pódium je vyhráno, zaostávají měsíc nebo se řítí vpřed jen o 10-15 sekund. Mechanické hodinky ale nejsou nejpřesnější na světě. Je potřeba je neustále spouštět a spouštět a zde jsou chyby úplně jiného řádu.

Nejpřesnější atomové hodiny na světě

Jak již bylo řečeno, atomové přístroje pro kvalitativní měření času jsou tak pečlivé, že chyby, které poskytují, lze srovnat s měřením průměru naší planety až na každou mikročástici. Tak přesné mechanismy běžný člověk v běžném životě nepochybně vůbec nepotřebuje. Ty jsou používány vědeckými výzkumníky k provádění různých experimentů, kde jsou vyžadovány extrémní výpočty. Poskytují lidem příležitost testovat „běh času“ v různých oblastech zeměkoule nebo provádět experimenty, které potvrzují obecnou teorii relativity, stejně jako další fyzikální teorie a hypotézy.

Pařížský standard

Jaké jsou nejpřesnější hodinky na světě? Všeobecně se uznává, že jsou to Pařížané, patřící k Institutu času. Toto zařízení je takzvaným časovým standardem, lidé na celém světě ho s ním porovnávají. Mimochodem, ve skutečnosti to není tak docela podobné „chodidlům“ v tradičním slova smyslu, ale připomíná velmi přesné zařízení nejsložitější konstrukce, kde je založeno na kvantovém principu a hlavní myšlenkou je výpočet časoprostoru pomocí oscilací částic s chybami rovnými pouze 1 sekundě za 1000 let.

Ještě přesnější

Jaké jsou dnes nejpřesnější hodinky na světě? V současné realitě vědci vynalezli zařízení, které je 100 tisíckrát přesnější než pařížský standard. Jeho chyba je jedna sekunda za 3,7 miliardy let! Za vývoj této technologie je zodpovědná skupina fyziků z USA. Je to již druhá verze časových zařízení postavená na kvantové logice, kde zpracování informací probíhá metodou podobnou např.

Pomoc při výzkumu

Nejnovější kvantová zařízení nejen nastavují nové standardy v měření takové veličiny, jako je čas, ale také pomáhají výzkumníkům v mnoha zemích vyřešit některé otázky, které jsou spojeny s takovými fyzikálními konstantami, jako je rychlost světelného paprsku ve vakuu nebo Planckova konstanta. Zvyšující se přesnost měření je prospěšná pro vědce, kteří doufají, že budou sledovat dilataci času způsobenou gravitací. A jedna technologická společnost ve Spojených státech plánuje uvést na trh dokonce sériově vyráběné kvantové hodinky pro každodenní použití. Pravda, jak vysoké budou jejich primární náklady?

Princip fungování

Atomové hodiny se také běžně nazývají kvantové hodiny, protože fungují na základě procesů, které se vyskytují na molekulární úrovni. K vytvoření vysoce přesných zařízení se neberou jen tak ledajaké atomy: typické je obvykle použití vápníku a jódu, cesia a rubidia a také molekul vodíku. V tuto chvíli nejpřesnější mechanismy pro počítání času na základě ittiberia vyrobili Američané. Na chodu zařízení se podílí přes 10 tisíc atomů, což zajišťuje vynikající přesnost. Mimochodem, předchozí držitelé rekordů měli chybu za sekundu „jen“ 100 milionů, což je, jak vidíte, také značné období.

Přesný křemen...

Při výběru domácích „chodítek“ pro každodenní použití by se samozřejmě neměla brát v úvahu jaderná zařízení. Mezi hodinkami pro domácnost jsou dnes nejpřesnější hodinky na světě quartzové, které mají oproti mechanickým i řadu výhod: nevyžadují natahování a práci s krystaly. Jejich běhové chyby jsou v průměru 15 sekund za měsíc (mechanické se obvykle mohou o tuto dobu za den zpožďovat). A nejpřesnější křemenné náramkové hodinky na světě, podle mnoha odborníků, je společnost Citizen - „Chronomaster“. Mohou mít chybu pouhých 5 sekund za rok. Z hlediska nákladů jsou poměrně drahé - kolem 4 tisíc eur. Na druhém stupni pomyslného Longines pódiu (10 sekund za rok). Už jsou mnohem levnější - asi 1000 eur.

...a mechanické

Většina mechanických nástrojů zpravidla není příliš přesná. Jedno ze zařízení se však přesto může pochlubit. Hodinky vyrobené ve 20. století mají obrovský mechanismus 14 tisíc prvků. Díky složité konstrukci a poměrně pomalé funkcionalitě jsou jejich chyby měření sekundové každých 600 let.

Kteří „hodináři“ vynalezli a zdokonalili tento extrémně přesný mechanismus? Je za něj nějaká náhrada? Zkusme na to přijít.

V roce 2012 oslaví atomové časomíra pětačtyřicáté výročí. V roce 1967 začala být kategorie času v Mezinárodní soustavě jednotek určována nikoli astronomickými stupnicemi, ale cesiovým frekvenčním standardem. To je to, co obyčejní lidé nazývají atomové hodiny.

Jaký je princip činnosti atomových oscilátorů? Tato „zařízení“ využívají kvantové energetické úrovně atomů nebo molekul jako zdroj rezonanční frekvence. Kvantová mechanika spojuje několik diskrétních energetických hladin se systémem „atomové jádro - elektrony“. Elektromagnetické pole určité frekvence může vyvolat přechod tohoto systému z nízké úrovně na vyšší. Možný je i opačný jev: atom se může vysílat z vysoké energetické hladiny na nižší vyzařováním energie. Oba jevy mohou být řízeny a tyto energetické meziúrovňové skoky mohou být zaznamenány, čímž vznikne zdání oscilačního obvodu. Rezonanční frekvence tohoto obvodu se bude rovnat energetickému rozdílu mezi dvěma přechodovými úrovněmi dělenému Planckovou konstantou.

Výsledný atomový oscilátor má oproti svým astronomickým a mechanickým předchůdcům nepochybné výhody. Rezonanční frekvence všech atomů látky zvolené pro oscilátor bude na rozdíl od kyvadel a piezokrystalů stejná. Atomy se navíc časem neopotřebují a nemění své vlastnosti. Ideální pro prakticky věčný a extrémně přesný chronometr.

Poprvé byla možnost použití meziúrovňových energetických přechodů v atomech jako frekvenčního standardu zvažována již v roce 1879 britským fyzikem Williamem Thomsonem, lépe známým jako Lord Kelvin. Navrhl použít vodík jako zdroj atomů rezonátoru. Jeho výzkum byl však spíše teoretického charakteru. Věda v té době ještě nebyla připravena vyvinout atomový chronometr.

Trvalo téměř sto let, než se nápad lorda Kelvina uskutečnil. Bylo to dlouhé, ale úkol to nebyl snadný. Transformace atomů na ideální kyvadla se v praxi ukázala jako obtížnější než teoreticky. Potíž spočívala v bitvě s tzv. rezonanční šířkou – malým kolísáním frekvence absorpce a emise energie, když se atomy pohybují z úrovně na úroveň. Poměr rezonanční frekvence k rezonanční šířce určuje kvalitu atomového oscilátoru. Je zřejmé, že čím větší je hodnota rezonanční šířky, tím nižší je kvalita atomového kyvadla. Bohužel není možné zvýšit rezonanční frekvenci pro zlepšení kvality. Je konstantní pro atomy každé konkrétní látky. Ale rezonanční šířku lze snížit zvýšením doby pozorování atomů.

Technicky toho lze dosáhnout následovně: nechejte externí, například křemenný, oscilátor periodicky generovat elektromagnetické záření, které způsobí, že atomy dárcovské látky přeskakují přes energetické hladiny. V tomto případě je úkolem ladičky atomových chronografů přiblížit frekvenci tohoto quartz oscilátoru co nejvíce rezonanční frekvenci meziúrovňového přechodu atomů. To je možné v případě dostatečně dlouhé doby pozorování atomových vibrací a vytvoření zpětné vazby, která reguluje frekvenci křemene.

Pravda, kromě problému se zmenšením rezonanční šířky u atomového chronografu je tu spousta dalších problémů. Jedná se o Dopplerův jev – posun rezonanční frekvence vlivem pohybu atomů, a vzájemných srážek atomů, způsobujících neplánované energetické přechody, a dokonce i vliv všudypřítomné energie temné hmoty.

První pokus o praktickou implementaci atomových hodin provedli ve třicátých letech minulého století vědci z Kolumbijské univerzity pod vedením budoucího nositele Nobelovy ceny Dr. Isidora Rabiho. Rabi navrhl použít jako zdroj atomů kyvadla izotop cesia 133 Cs. Bohužel Rabiho práci, která NBS velmi zajímala, přerušila druhá světová válka.

Po jejím dokončení přešlo vedení v implementaci atomového chronografu na pracovníka NBS Harolda Lyonse. Jeho atomový oscilátor běžel na čpavek a dával chybu srovnatelnou s nejlepšími příklady křemenných rezonátorů. V roce 1949 byly čpavkové atomové hodiny předvedeny široké veřejnosti. Navzdory spíše průměrné přesnosti implementovali základní principy budoucích generací atomových chronografů.

Prototyp cesiových atomových hodin, který získal Louis Essen, poskytoval přesnost 1 * 10-9, přičemž měl šířku rezonance pouze 340 Hz.

O něco později profesor Harvardské univerzity Norman Ramsey vylepšil myšlenky Isidora Rabiho a snížil dopad Dopplerova jevu na přesnost měření. Navrhl místo jednoho dlouhého vysokofrekvenčního pulzního budícího atomu použít dva krátké, vyslané do ramen vlnovodu v určité vzdálenosti od sebe. To umožnilo ostře zmenšit rezonanční šířku a ve skutečnosti umožnilo vytvořit atomové oscilátory, které jsou v přesnosti řádově lepší než jejich křemenní předkové.

V padesátých letech minulého století pracoval její zaměstnanec Louis Essen na základě schématu navrženého Normanem Ramseym v National Physical Laboratory (UK) na atomovém oscilátoru založeném na izotopu cesia 133 Cs, který dříve navrhl Rabi. Cesium nebylo vybráno náhodou.

Schéma hyperjemných přechodových úrovní atomů izotopu cesia-133

Atomy cesia, které patří do skupiny alkalických kovů, jsou extrémně snadno vybuzeny k přeskakování mezi energetickými hladinami. Například paprsek světla může snadno vyřadit proud elektronů z atomové struktury cesia. Právě díky této vlastnosti je cesium široce používáno ve fotodetektorech.

Návrh klasického cesiového oscilátoru na bázi Ramseyho vlnovodu

První oficiální cesiový frekvenční standard NBS-1

Potomek NBS-1 - oscilátor NIST-7 využíval laserové čerpání svazku atomů cesia

Trvalo více než čtyři roky, než se prototyp z Essenu stal skutečným standardem. Koneckonců, přesné nastavení atomových hodin bylo možné pouze srovnáním s existujícími efemeridovými jednotkami času. Během čtyř let byl atomový oscilátor kalibrován pozorováním rotace Měsíce kolem Země pomocí přesné lunární kamery, kterou vynalezl William Markowitz z US Naval Observatory.

„Úprava“ atomových hodin na měsíční efemeridy se prováděla v letech 1955 až 1958, poté bylo zařízení oficiálně uznáno NBS jako frekvenční standard. Navíc bezprecedentní přesnost cesiových atomových hodin přiměla NBS změnit jednotku času ve standardu SI. Od roku 1958 byla druhá oficiálně přijata jako „doba trvání 9 192 631 770 period záření odpovídajících přechodu mezi dvěma hyperjemnými úrovněmi standardního stavu atomu izotopu cesia-133“.

Zařízení Louise Essena bylo pojmenováno NBS-1 a bylo považováno za první cesiový frekvenční standard.

Během následujících třiceti let bylo vyvinuto šest modifikací NBS-1, z nichž poslední, NIST-7, vytvořená v roce 1993 nahrazením magnetů laserovými pastmi, poskytuje přesnost 5 * 10 -15 s rezonanční šířkou pouhých šedesát - dva Hz.

Srovnávací tabulka charakteristik cesiových frekvenčních etalonů používaných NBS

Zařízení NBS jsou stacionární stojany, což umožňuje jejich zařazení spíše mezi etalony než prakticky používané oscilátory. Ale pro čistě praktické účely Hewlett-Packard pracoval ve prospěch cesiového frekvenčního standardu. V roce 1964 vytvořil budoucí počítačový gigant kompaktní verzi cesiového frekvenčního standardu – zařízení HP 5060A.

Frekvenční standardy HP 5060, kalibrované pomocí standardů NBS, zapadají do typického stojanu rádiových zařízení a byly komerčním úspěchem. Právě díky cesiovému frekvenčnímu standardu stanovenému společností Hewlett-Packard se rozšířila nebývalá přesnost atomových hodin.

Hewlett-Packard 5060A.

V důsledku toho byly možné takové věci, jako je satelitní televize a komunikace, globální navigační systémy a služby synchronizace času informační sítě. Průmyslová technologie atomových chronografů má mnoho aplikací. Hewlett-Packard přitom nezůstal jen u toho a neustále zlepšuje kvalitu cesiových norem a jejich hmotnost a rozměry.

Hewlett-Packard rodina atomových hodin

V roce 2005 byla divize atomových hodin Hewlett-Packard prodána společnosti Simmetricom.

Spolu s cesiem, jehož zásoby jsou v přírodě velmi omezené a poptávka po něm v různých technologických oborech je extrémně vysoká, bylo jako donorová látka použito rubidium, které se svými vlastnostmi velmi blíží cesiu.

Zdálo by se, že stávající schéma atomových hodin bylo dovedeno k dokonalosti. Mezitím to mělo nepříjemnou nevýhodu, jejíž odstranění bylo možné ve druhé generaci cesiových frekvenčních standardů, nazývaných cesiové fontány.

Fontány času a optická melasa

Přes nejvyšší přesnost atomového chronometru NIST-7, který využívá laserovou detekci stavu atomů cesia, se jeho konstrukce zásadně neliší od návrhů prvních verzí cesiových frekvenčních standardů.

Konstrukční nevýhodou všech těchto schémat je, že je v podstatě nemožné řídit rychlost šíření svazku atomů cesia pohybujícího se ve vlnovodu. A to přesto, že rychlost pohybu atomů cesia při pokojové teplotě je sto metrů za sekundu. Velmi rychle.

Proto jsou všechny modifikace cesiových standardů hledáním rovnováhy mezi velikostí vlnovodu, který má čas ovlivnit rychlé atomy cesia ve dvou bodech, a přesností detekce výsledků tohoto ovlivnění. Čím menší je vlnovod, tím obtížnější je vytvářet po sobě jdoucí elektromagnetické pulsy ovlivňující stejné atomy.

Co když najdeme způsob, jak snížit rychlost atomů cesia? Právě tato myšlenka zaujala studenta MIT Jerolda Zachariuse, který koncem čtyřicátých let minulého století studoval vliv gravitace na chování atomů. Později, zapojený do vývoje varianty cesiového frekvenčního standardu Atomichron, navrhl Zacharius myšlenku cesiové fontány - metodu, jak snížit rychlost atomů cesia na jeden centimetr za sekundu a zbavit se dvouramenného vlnovodu. tradičních atomových oscilátorů.

Zachariova myšlenka byla jednoduchá. Co kdybyste vypálili atomy cesia vertikálně uvnitř oscilátoru? Poté stejné atomy projdou detektorem dvakrát: jednou při cestě nahoru a podruhé dolů, kam se budou řítit vlivem gravitace. V tomto případě bude pohyb atomů směrem dolů výrazně pomalejší než jejich vzlet, protože během své cesty ve fontáně ztratí energii. Bohužel v padesátých letech minulého století nemohl Zacharius své představy realizovat. V jeho experimentálním uspořádání atomy pohybující se nahoru interagovaly s atomy padajícími dolů, což zmátlo přesnost detekce.

Myšlenka Zacharia se vrátila až v osmdesátých letech. Vědci ze Stanfordské univerzity pod vedením Stevena Chua našli způsob, jak realizovat Zachariovu fontánu pomocí metody, kterou nazývají „optická melasa“.

V Chu cesiové fontáně je mrak atomů cesia vystřelený nahoru předem chlazen systémem tří párů protisměrně nasměrovaných laserů, které mají rezonanční frekvenci těsně pod optickou rezonancí atomů cesia.

Schéma cesiové fontány s optickou melasou.

Laserem chlazené atomy cesia se začnou pomalu pohybovat, jakoby skrz melasu. Jejich rychlost klesá na tři metry za sekundu. Snížení rychlosti atomů dává výzkumníkům možnost přesněji detekovat stavy (musíte uznat, že je mnohem snazší vidět poznávací značky auta pohybujícího se rychlostí jednoho kilometru za hodinu než auta pohybujícího se rychlostí sto kilometrů za hodinu).

Koule ochlazených atomů cesia je vypuštěna nahoru asi metr a prochází vlnovod podél cesty, přes který jsou atomy vystaveny elektromagnetickému poli o rezonanční frekvenci. A detektor systému poprvé zaznamená změnu stavu atomů. Po dosažení „stropu“ začnou ochlazené atomy vlivem gravitace padat a podruhé projdou vlnovodem. Na zpáteční cestě detektor opět zaznamená jejich stav. Vzhledem k tomu, že se atomy pohybují extrémně pomalu, je jejich let v podobě poměrně hustého mraku snadno ovladatelný, což znamená, že ve fontáně nebudou atomy létat nahoru a dolů zároveň.

Césiová fontána Chu byla přijata NBS jako frekvenční standard v roce 1998 a pojmenována NIST-F1. Jeho chyba byla 4 * 10 -16, což znamená, že NIST-F1 byl přesnější než jeho předchůdce NIST-7.

Ve skutečnosti NIST-F1 dosáhl hranice přesnosti měření stavu atomů cesia. Vědci ale nezůstali jen u tohoto vítězství. Rozhodli se odstranit chybu, kterou záření černého tělesa vnáší do chodu atomových hodin – výsledek interakce atomů cesia s tepelným zářením tělesa zařízení, ve kterém se pohybují. Nový atomový chronograf NIST-F2 umístil cesiovou fontánu do kryogenní komory a snížil tak záření černého tělesa téměř na nulu. Chyba NIST-F2 je neuvěřitelných 3*10 -17.

Graf snížení chyb standardních možností frekvence cesia

V současné době atomové hodiny založené na cesiových fontánách poskytují lidstvu nejpřesnější měřítko času, ve vztahu k němuž tepe puls naší technogenní civilizace. Díky inženýrským trikům byly pulzní vodíkové masery, které ochlazují atomy cesia ve stacionárních verzích NIST-F1 a NIST-F2, nahrazeny konvenčním laserovým paprskem pracujícím v tandemu s magnetooptickým systémem. To umožnilo vytvořit kompaktní a vysoce odolné verze standardů NIST-Fx, které lze použít v kosmických lodích. Tyto frekvenční standardy, zcela nápaditě nazývané „Aerospace Cold Atom Clock“, jsou instalovány v satelitech navigačních systémů, jako je GPS, což zajišťuje jejich úžasnou synchronizaci pro vyřešení problému velmi přesného výpočtu souřadnic GPS přijímačů používaných v našich gadgetech.

Kompaktní verze atomových hodin s cesiovou fontánou, nazývaná „Aerospace Cold Atom Clock“, se používá v satelitech GPS.

Výpočet časové reference provádí „soubor“ deseti NIST-F2 umístěných v různých výzkumných centrech spolupracujících s NBS. Přesná hodnota atomové vteřiny je získávána hromadně, čímž se eliminují různé chyby a vliv lidského faktoru.

Je však možné, že jednou bude cesiový frekvenční etalon našimi potomky vnímán jako velmi hrubý mechanismus měření času, stejně jako se nyní blahosklonně díváme na pohyby kyvadla v mechanických pradědečkových hodinách našich předků.

Za prvé, lidstvo používá hodiny jako prostředek k řízení programového času.

Za druhé, měření času je dnes nejpřesnějším typem měření ze všech: přesnost měření času je nyní určena neuvěřitelnou chybou v řádu 1·10-11%, neboli 1 s za 300 tisíc let.

A moderní lidé dosáhli takové přesnosti, když začali používat atomy, které jsou v důsledku svých oscilací regulátorem atomových hodin. Atomy cesia jsou ve dvou energetických stavech, které potřebujeme (+) a (-). Elektromagnetické záření o frekvenci 9 192 631 770 hertzů vzniká při přechodu atomů ze stavu (+) do stavu (-), čímž vzniká přesný, konstantní periodický proces - regulátor kódu atomových hodin.

Aby atomové hodiny fungovaly přesně, musí se cesium odpařovat v peci, což je proces, při kterém se uvolňují jeho atomy. Za pecí se nachází třídící magnet, který má ve stavu (+) kapacitu atomů a v něm vlivem ozáření v mikrovlnném poli přecházejí atomy do stavu (-). Druhý magnet nasměruje atomy, které změnily stav (+) na (-) do přijímacího zařízení. Mnoho atomů, které změnily svůj stav, je získáno pouze tehdy, pokud se frekvence mikrovlnného zářiče přesně shoduje s frekvencí vibrací cesia 9 192 631 770 hertzů. V opačném případě se počet atomů (-) v přijímacím zařízení snižuje.

Zařízení neustále monitorují a regulují konstantní frekvenci 9 192 631 770 hertzů. To znamená, že se splnil sen designérů hodinek, byl nalezen absolutně konstantní periodický proces: frekvence 9 192 631 770 hertzů, která reguluje chod atomových hodin.

Dnes je na základě mezinárodní dohody sekunda definována jako perioda záření vynásobená 9 192 631 770, což odpovídá přechodu mezi dvěma hyperjemnými strukturálními úrovněmi základního stavu atomu cesia (izotop cesia-133).

K měření přesného času lze využít i vibrace jiných atomů a molekul, jako jsou atomy vápníku, rubidia, cesia, stroncia, molekul vodíku, jódu, metanu atd. Záření atomu cesia je však rozpoznáno jako frekvence Standard. Aby bylo možné porovnat vibrace různých atomů se standardem (cesium), byl vytvořen titan-safírový laser, který generuje široké spektrum frekvencí v rozsahu od 400 do 1000 nm.

Prvním tvůrcem křemenných a atomových hodin byl anglický experimentální fyzik Essen Lewis (1908-1997). V roce 1955 vytvořil první atomový frekvenční (časový) standard využívající svazek atomů cesia. V důsledku této práce vznikla o 3 roky později (1958) časová služba založená na atomovém frekvenčním standardu.

V SSSR předložil akademik Nikolaj Gennadievič Basov své nápady na vytvoření atomových hodin.

Tak, atomové hodiny, Jedním z přesných typů hodin je zařízení na měření času, kde se jako kyvadlo využívá přirozených vibrací atomů nebo molekul. Stabilita atomových hodin je nejlepší ze všech existujících typů hodin, což je klíčem k nejvyšší přesnosti. Generátor atomových hodin produkuje více než 32 768 pulzů za sekundu, na rozdíl od běžných hodin. Atomové vibrace nezávisí na teplotě vzduchu, vibracích, vlhkosti a mnoha dalších vnějších faktorech.

V moderním světě, kdy se bez navigace prostě neobejdete, se atomové hodiny staly nepostradatelnými pomocníky. Jsou schopny určit polohu vesmírné lodi, satelitu, balistické střely, letadla, ponorky, automobilu automaticky prostřednictvím satelitní komunikace.

Za nejpřesnější jsou tedy posledních 50 let považovány atomové hodiny, nebo spíše cesiové. Dlouhodobě je využívají časové služby a časové signály vysílají i některé rozhlasové stanice.

Zařízení atomových hodin obsahuje 3 části:

kvantový diskriminátor,

křemenný oscilátor,

komplex elektroniky.

Křemenný oscilátor generuje frekvenci (5 nebo 10 MHz). Oscilátor je RC rádiový generátor, který jako rezonanční prvek využívá piezoelektrické módy krystalu křemene, kde se porovnávají atomy, které změnily stav (+) na (-), pro zvýšení stability je jeho frekvence neustále porovnávána s kmity kvantový diskriminátor (atomy nebo molekuly) . Když dojde k rozdílu v oscilacích, elektronika upraví frekvenci quartz oscilátoru na nulu, čímž zvýší stabilitu a přesnost hodinek na požadovanou úroveň.

V moderním světě mohou být atomové hodiny vyrobeny v jakékoli zemi na světě pro použití v každodenním životě. Jsou velmi malé a krásné. Nejnovější atomové hodiny nejsou větší než krabička od sirek a mají nízkou spotřebu energie menší než 1 watt. A to není limit, snad se v budoucnu technický pokrok dostane i do mobilních telefonů. Kompaktní atomové hodiny se mezitím instalují pouze na strategické střely, aby se mnohonásobně zvýšila přesnost navigace.

Dnes lze v internetových obchodech zakoupit pánské a dámské atomové hodinky pro každý vkus a rozpočet.

V roce 2011 vytvořili specialisté ze Symmetricom a Sandia National Laboratories nejmenší atomové hodiny na světě. Tyto hodinky jsou 100krát kompaktnější než předchozí komerčně dostupné verze. Velikost atomového chronometru není větší než krabička od zápalek. K provozu potřebuje pouze 100 mW výkonu – to je 100x méně ve srovnání s jeho předchůdci.

Velikost hodinek bylo možné zmenšit instalací namísto pružin a ozubených kol mechanismus, který funguje na principu určování frekvence elektromagnetických vln vyzařovaných atomy cesia pod vlivem laserového paprsku zanedbatelného výkonu.

Takové hodiny se používají jak v navigaci, tak i při práci horníků, potápěčů, kde je potřeba přesně synchronizovat čas s kolegy na povrchu, ale i přesných časových službách, protože chyba atomových hodin je menší než 0,000001 zlomků sekundy za den. Náklady na rekordní malé atomové hodiny Symmetricom byly asi 1500 dolarů.

Když světlo náhle zhasne a znovu se rozsvítí o něco později, jak víte, kdy nastavit hodiny? Ano, mluvím o elektronických hodinkách, které má pravděpodobně mnoho z nás. Přemýšleli jste někdy o tom, jak je regulován čas? V tomto článku se dozvíme vše o atomových hodinách a o tom, jak díky nim tiká celý svět.

Jsou atomové hodiny radioaktivní?

Atomové hodiny ukazují čas lépe než jakékoli jiné hodiny. Ukazují čas lépe než rotace Země a pohyb hvězd. Bez atomových hodin by nebyla možná GPS navigace, internet by nebyl synchronizovaný a pozice planet by nebyly známy s dostatečnou přesností pro vesmírné sondy a vozidla.

Atomové hodiny nejsou radioaktivní. Nespoléhají na atomové štěpení. Navíc má pružinu, stejně jako běžné hodinky. Největší rozdíl mezi standardními hodinami a atomovými hodinami je ten, že oscilace v atomových hodinách se vyskytují v jádře atomu mezi elektrony, které jej obklopují. Tyto oscilace jsou sotva paralelní s balančním kolečkem na natahovacích hodinkách, ale oba typy oscilací lze použít ke sledování plynutí času. Frekvence vibrací v atomu je určena hmotností jádra, gravitace a elektrostatické „pružiny“ mezi kladným nábojem jádra a oblakem elektronů kolem něj.

Jaké druhy atomových hodin známe?

Dnes existují různé typy atomových hodin, ale jsou postaveny na stejných principech. Hlavní rozdíl se týká prvku a prostředků detekce změn energetických hladin. Mezi různé typy atomových hodin patří následující:

• Cesiové atomové hodiny využívající svazky atomů cesia. Hodiny oddělují atomy cesia s různými energetickými hladinami pomocí magnetického pole.
• Vodíkové atomové hodiny udržují atomy vodíku na správné energetické úrovni v nádobě, jejíž stěny jsou vyrobeny ze speciálního materiálu, takže atomy neztrácejí svůj vysokoenergetický stav příliš rychle.
• Rubidiové atomové hodiny, nejjednodušší a nejkompaktnější ze všech, používají skleněnou buňku obsahující rubidium.

Nejpřesnější atomové hodiny dnes využívají atom cesia a klasické magnetické pole s detektory. Kromě toho jsou atomy cesia obsaženy v laserových paprskech, což snižuje malé změny frekvence v důsledku Dopplerova jevu.

Jak fungují atomové hodiny na bázi cesia?

Atomy mají charakteristickou vibrační frekvenci. Známým příkladem frekvence je oranžová záře sodíku v kuchyňské soli při vhození do ohně. Atom má mnoho různých frekvencí, některé v rádiovém rozsahu, některé ve viditelném spektru a některé mezi nimi. Cesium-133 se nejčastěji volí pro atomové hodiny.

Aby atomy cesia rezonovaly v atomových hodinách, musí být přesně změřen jeden z přechodů nebo rezonanční frekvence. To se obvykle provádí uzamčením krystalového oscilátoru do základní mikrovlnné rezonance atomu cesia. Tento signál je v mikrovlnném rozsahu vysokofrekvenčního spektra a má stejnou frekvenci jako přímé vysílané satelitní signály. Inženýři vědí, jak vytvořit zařízení pro tuto oblast spektra, a to velmi podrobně.

K vytvoření hodin se cesium nejprve zahřeje, aby se atomy odpařily a prošly vysokovakuovou trubicí. Nejprve projdou magnetickým polem, které vybere atomy s požadovaným energetickým stavem; poté procházejí intenzivním mikrovlnným polem. Frekvence mikrovlnné energie přeskakuje tam a zpět v úzkém rozsahu frekvencí tak, že v určitém bodě dosáhne frekvence 9 192 631 770 hertzů (Hz, neboli cyklů za sekundu). Rozsah mikrovlnného oscilátoru se již blíží této frekvenci, protože ji vyrábí přesný krystalový oscilátor. Když atom cesia přijme mikrovlnnou energii požadované frekvence, změní svůj energetický stav.

Na konci trubice další magnetické pole odděluje atomy, které změnily svůj energetický stav, pokud mělo mikrovlnné pole správnou frekvenci. Detektor na konci trubice vytváří výstupní signál úměrný počtu atomů cesia, které na něj dopadnou, a vrcholí, když je mikrovlnná frekvence dostatečně správná. Tento špičkový signál je potřebný pro korekci, aby se krystalový oscilátor, a tedy mikrovlnné pole, dostal na požadovanou frekvenci. Tato zablokovaná frekvence se pak vydělí 9 192 631 770, aby se dal známý jeden pulz za sekundu, který skutečný svět potřebuje.

Kdy byly vynalezeny atomové hodiny?

V roce 1945 profesor fyziky na Kolumbijské univerzitě Isidor Rabi navrhl hodiny, které by mohly být vyrobeny na základě technik vyvinutých ve 30. letech 20. století. Říkalo se tomu magnetická rezonance atomového paprsku. V roce 1949 oznámil National Bureau of Standards vytvoření prvních atomových hodin na světě založených na molekule amoniaku, jejichž vibrace byly čteny, a v roce 1952 vytvořil první atomové hodiny na světě založené na atomech cesia, NBS-1.

V roce 1955 Národní fyzikální laboratoř v Anglii postavila první hodiny využívající cesiový paprsek jako kalibrační zdroj. Během následujícího desetiletí byly vytvořeny pokročilejší hodinky. V roce 1967, během 13. Všeobecné konference o vahách a mírách, byla sekunda SI určena na základě vibrací v atomu cesia. Ve světovém systému měření času neexistovala přesnější definice než tato. NBS-4, nejstabilnější cesiové hodiny na světě, byly dokončeny v roce 1968 a byly v provozu až do roku 1990.

Často slýcháme větu, že atomové hodiny vždy ukazují přesný čas. Ale z jejich názvu je těžké pochopit, proč jsou atomové hodiny nejpřesnější nebo jak fungují.

To, že název obsahuje slovo „atomový“, neznamená, že hodinky představují nebezpečí pro život, i když se okamžitě vybaví myšlenky na atomovou bombu nebo jadernou elektrárnu. V tomto případě se bavíme jen o principu fungování hodinek. Jestliže u běžných mechanických hodinek provádějí oscilační pohyby ozubená kola a jejich pohyby se počítají, tak v atomových hodinách se počítají oscilace elektronů uvnitř atomů. Pro lepší pochopení principu fungování si připomeňme fyziku elementárních částic.

Všechny látky v našem světě jsou tvořeny atomy. Atomy se skládají z protonů, neutronů a elektronů. Protony a neutrony se vzájemně spojují a vytvářejí jádro, kterému se také říká nukleon. Kolem jádra se pohybují elektrony, které mohou mít různé energetické hladiny. Nejzajímavější je, že při pohlcování nebo uvolňování energie se elektron může pohybovat ze své energetické hladiny na vyšší nebo nižší. Elektron může získat energii z elektromagnetického záření, přičemž při každém přechodu absorbuje nebo vyzařuje elektromagnetické záření o určité frekvenci.

Nejčastěji existují hodinky, ve kterých se pro změnu používají atomy prvku Cesium -133. Pokud za 1 sekundu kyvadlo běžné hodinky vykoná 1 kmitavý pohyb, poté elektrony v atomových hodinách na bázi cesia-133 při přechodu z jedné energetické hladiny na druhou vyzařují elektromagnetické záření o frekvenci 9192631770 Hz. Ukazuje se, že jedna sekunda je rozdělena na přesně tento počet intervalů, pokud se počítá v atomových hodinách. Tato hodnota byla oficiálně přijata mezinárodním společenstvím v roce 1967. Představte si obrovský číselník s ne 60, ale 9192631770 dílky, které tvoří pouhou 1 sekundu. Není divu, že atomové hodiny jsou tak přesné a mají řadu výhod: atomy nepodléhají stárnutí, neopotřebovávají se a frekvence kmitů bude pro jeden chemický prvek vždy stejná, díky čemuž je možné synchronně porovnávat například údaje atomových hodin daleko ve vesmíru a na Zemi, bez obav z chyb.

Díky atomovým hodinám si lidstvo mohlo v praxi vyzkoušet správnost teorie relativity a přesvědčit se, že je lepší než na Zemi. Atomové hodiny jsou instalovány na mnoha satelitech a kosmických lodích, používají se pro telekomunikační potřeby, pro mobilní komunikaci a slouží k porovnávání přesného času na celé planetě. Bez nadsázky to bylo díky vynálezu atomových hodin, kdy lidstvo mohlo vstoupit do éry špičkových technologií.

Jak fungují atomové hodiny?

Cesium-133 se zahřívá odpařováním atomů cesia, které procházejí magnetickým polem, kde se vybírají atomy s požadovanými energetickými stavy.

Vybrané atomy pak procházejí magnetickým polem s frekvencí blízkou 9192631770 Hz, které vytváří křemenný oscilátor. Atomy cesia pod vlivem pole opět mění energetické stavy a padají na detektor, který zaznamená, kdy bude mít největší počet přicházejících atomů „správný“ energetický stav. Maximální počet atomů se změněným energetickým stavem indikuje, že frekvence mikrovlnného pole je zvolena správně, a poté je její hodnota přivedena do elektronického zařízení - frekvenčního děliče, který po snížení frekvence o celé číslo přijme číslo 1, což je referenční sekunda.

Atomy cesia se tedy používají ke kontrole správné frekvence magnetického pole vytvářeného krystalovým oscilátorem, což pomáhá udržovat ji na konstantní hodnotě.

Toto je zajímavé: Přestože současné atomové hodiny jsou bezprecedentně přesné a mohou běžet miliony let bez chyb, fyzici se tím nezastaví. Pomocí atomů různých chemických prvků neustále pracují na zlepšení přesnosti atomových hodin. Mezi nejnovější vynálezy patří atomové hodiny stroncium, které jsou třikrát přesnější než jejich cesiový protějšek. K tomu, aby zaostali jen o vteřinu, budou potřebovat 15 miliard let – čas přesahující stáří našeho vesmíru...

Pokud najdete chybu, zvýrazněte část textu a klikněte Ctrl+Enter.