Una breve storia della comparsa degli strumenti di misurazione del tempo atomico. Orologi atomici: il tempo preciso è la chiave del progresso

Il tempo, nonostante il fatto che gli scienziati non riescano ancora a svelare finalmente la sua vera essenza, ha ancora le proprie unità di misura stabilite dall'umanità. E un dispositivo di calcolo chiamato orologio. Quali sono le loro varietà, quali sono gli orologi più precisi al mondo? Questo sarà discusso nel nostro materiale oggi.

Qual è l'orologio più preciso al mondo?

Sono considerati atomici: hanno errori minimi che possono raggiungere solo i secondi per miliardo di anni. Il 2o, non meno onorevole, podio viene vinto. Restano indietro per un mese o corrono avanti di soli 10-15 secondi. Ma gli orologi meccanici non sono i più precisi al mondo. Devono essere sempre accesi e spenti, e qui gli errori sono di un ordine completamente diverso.

L'orologio atomico più preciso al mondo

Come già detto, gli strumenti atomici per la misurazione qualitativa del tempo sono così meticolosi che gli errori che forniscono possono essere paragonati alle misurazioni del diametro del nostro pianeta fino a ogni microparticella. Indubbiamente, la persona media nella vita di tutti i giorni non ha affatto bisogno di meccanismi così precisi. Questi vengono utilizzati dai ricercatori scientifici per condurre vari esperimenti in cui sono richiesti calcoli estremi. Offrono l’opportunità alle persone di testare il “corso del tempo” in varie aree del globo o di condurre esperimenti che confermano la teoria generale della relatività, così come altre teorie e ipotesi fisiche.

Norma di Parigi

Qual è l'orologio più preciso al mondo? È generalmente accettato che siano parigini, appartenenti all'Istituto del Tempo. Questo dispositivo è il cosiddetto standard temporale; le persone in tutto il mondo lo confrontano con esso. A proposito, in realtà non è del tutto simile ai "camminatori" nel senso tradizionale del termine, ma assomiglia a un dispositivo molto preciso dal design molto complesso, che si basa sul principio quantistico, e l'idea principale è calcolo dello spazio-tempo mediante oscillazioni delle particelle con errori pari a solo 1 secondo per 1000 anni.

Ancora più preciso

Qual è l'orologio più preciso al mondo oggi? Nelle realtà attuali, gli scienziati hanno inventato un dispositivo 100mila volte più preciso dello standard di Parigi. Il suo errore è di un secondo su 3,7 miliardi di anni! Un gruppo di fisici statunitensi è responsabile dello sviluppo di questa tecnologia. Si tratta già della seconda versione dei dispositivi temporali basati sulla logica quantistica, in cui l'elaborazione delle informazioni viene effettuata utilizzando un metodo simile, ad esempio, a

Assistenza alla ricerca

Gli ultimi dispositivi quantistici non solo stabiliscono nuovi standard nella misurazione di una quantità come il tempo, ma aiutano anche i ricercatori di molti paesi a risolvere alcune domande associate a costanti fisiche come la velocità di un raggio di luce nel vuoto o la costante di Planck. La crescente precisione delle misurazioni è vantaggiosa per gli scienziati, che sperano di monitorare la dilatazione del tempo causata dalla gravità. E un’azienda tecnologica negli Stati Uniti prevede di lanciare anche orologi quantistici prodotti in serie per l’uso quotidiano. È vero, quanto sarà alto il loro costo primario?

Principio operativo

Gli orologi atomici sono comunemente chiamati anche orologi quantistici, perché funzionano sulla base di processi che avvengono a livello molecolare. Per creare dispositivi di alta precisione non vengono presi atomi qualsiasi: di solito è tipico l'uso di calcio e iodio, cesio e rubidio e anche molecole di idrogeno. Al momento, i meccanismi più accurati per il calcolo del tempo basati sull'ittiberio sono stati prodotti dagli americani. Nel funzionamento dell'apparecchiatura sono coinvolti oltre 10mila atomi, il che garantisce un'eccellente precisione. A proposito, i precedenti detentori del record avevano un errore al secondo di “soli” 100 milioni, che, vedete, è anche un periodo considerevole.

Quarzo di precisione...

Quando si scelgono i “deambulatori” domestici per l'uso quotidiano, ovviamente, gli ordigni nucleari non dovrebbero essere presi in considerazione. Tra gli orologi domestici oggi, gli orologi più precisi al mondo sono quelli al quarzo, che presentano anche numerosi vantaggi rispetto a quelli meccanici: non necessitano di carica e funzionano utilizzando cristalli. I loro errori di esecuzione sono in media di 15 secondi al mese (quelli meccanici di solito possono ritardare di questa quantità di tempo al giorno). E l'orologio da polso al quarzo più preciso al mondo, secondo molti esperti, è l'azienda Citizen - "Chronomaster". Potrebbero avere un errore di soli 5 secondi all'anno. In termini di costi, sono piuttosto costosi: circa 4mila euro. Sul secondo gradino dell'immaginario podio Longines (10 secondi all'anno). Sono già molto più economici: circa 1000 euro.

...e meccanica

La maggior parte degli strumenti meccanici, di regola, non sono particolarmente precisi. Tuttavia, uno dei dispositivi può ancora vantarsi. L'orologio, realizzato nel XX secolo, ha un enorme meccanismo di 14mila elementi. Grazie al loro design complesso e al loro funzionamento piuttosto lento, i loro errori di misurazione sono di un secondo ogni 600 anni.

Quali “orologiai” hanno inventato e perfezionato questo meccanismo estremamente preciso? C'è un sostituto per lui? Proviamo a capirlo.

Nel 2012, il cronometraggio atomico celebrerà il suo quarantacinquesimo anniversario. Nel 1967, la categoria del tempo nel Sistema Internazionale di unità cominciò a essere determinata non da scale astronomiche, ma dallo standard di frequenza del cesio. Questo è ciò che la gente comune chiama orologio atomico.

Qual è il principio di funzionamento degli oscillatori atomici? Questi “dispositivi” utilizzano i livelli di energia quantistica di atomi o molecole come fonte di frequenza di risonanza. La meccanica quantistica collega diversi livelli energetici discreti con il sistema “nucleo atomico - elettroni”. Un campo elettromagnetico di una certa frequenza può provocare la transizione di questo sistema da un livello basso a uno più alto. È possibile anche il fenomeno opposto: un atomo può passare da un livello energetico elevato a uno inferiore emettendo energia. Entrambi i fenomeni possono essere controllati e questi salti di interlivello energetico possono essere registrati, creando così una parvenza di circuito oscillatorio. La frequenza di risonanza di questo circuito sarà pari alla differenza di energia tra i due livelli di transizione divisa per la costante di Planck.

L'oscillatore atomico risultante presenta indubbi vantaggi rispetto ai suoi predecessori astronomici e meccanici. La frequenza di risonanza di tutti gli atomi della sostanza scelta per l'oscillatore sarà, a differenza dei pendoli e dei piezocristalli, la stessa. Inoltre, gli atomi non si consumano né cambiano le loro proprietà nel tempo. Ideale per un cronometro praticamente eterno ed estremamente preciso.

Per la prima volta, la possibilità di utilizzare le transizioni energetiche interlivello negli atomi come standard di frequenza fu presa in considerazione nel 1879 dal fisico britannico William Thomson, meglio conosciuto come Lord Kelvin. Propose di utilizzare l'idrogeno come fonte di atomi risonatori. Tuttavia, la sua ricerca era di natura piuttosto teorica. La scienza a quel tempo non era ancora pronta per sviluppare un cronometro atomico.

Ci sono voluti quasi cento anni perché l'idea di Lord Kelvin si realizzasse. È passato molto tempo, ma il compito non è stato facile. Trasformare gli atomi in pendoli ideali si è rivelato più difficile nella pratica che in teoria. La difficoltà risiedeva nella battaglia con la cosiddetta ampiezza di risonanza, una piccola fluttuazione nella frequenza di assorbimento ed emissione di energia mentre gli atomi si spostano da un livello all'altro. Il rapporto tra la frequenza di risonanza e l'ampiezza di risonanza determina la qualità dell'oscillatore atomico. Ovviamente, maggiore è il valore dell'ampiezza di risonanza, minore è la qualità del pendolo atomico. Sfortunatamente non è possibile aumentare la frequenza di risonanza per migliorare la qualità. È costante per gli atomi di ciascuna sostanza specifica. Ma l'ampiezza della risonanza può essere ridotta aumentando il tempo di osservazione degli atomi.

Tecnicamente, ciò può essere ottenuto nel modo seguente: lasciare che un oscillatore esterno, ad esempio al quarzo, generi periodicamente radiazioni elettromagnetiche, facendo sì che gli atomi della sostanza donatrice saltino attraverso i livelli energetici. In questo caso, il compito del sintonizzatore del cronografo atomico è quello di avvicinare il più possibile la frequenza di questo oscillatore al quarzo alla frequenza di risonanza della transizione interlivello degli atomi. Ciò diventa possibile nel caso di un periodo sufficientemente lungo di osservazione delle vibrazioni atomiche e della creazione di feedback che regolano la frequenza del quarzo.

È vero, oltre al problema di ridurre l'ampiezza di risonanza in un cronografo atomico, ci sono molti altri problemi. Questo è l'effetto Doppler: uno spostamento della frequenza di risonanza dovuto al movimento degli atomi e alle reciproche collisioni di atomi, che causano transizioni energetiche non pianificate e persino l'influenza dell'energia pervasiva della materia oscura.

Il primo tentativo di implementazione pratica degli orologi atomici fu fatto negli anni Trenta del secolo scorso da scienziati della Columbia University sotto la guida del futuro premio Nobel Dr. Isidor Rabi. Rabi propose di utilizzare l'isotopo del cesio 133 Cs come fonte di atomi del pendolo. Purtroppo il lavoro di Rabi, che interessò molto la NBS, fu interrotto dalla Seconda Guerra Mondiale.

Dopo il suo completamento, la guida nella realizzazione del cronografo atomico passò al dipendente della NBS Harold Lyons. Il suo oscillatore atomico funzionava con ammoniaca e forniva un errore paragonabile ai migliori esempi di risonatori al quarzo. Nel 1949, l'orologio atomico dell'ammoniaca fu dimostrato al grande pubblico. Nonostante la precisione piuttosto mediocre, hanno implementato i principi di base delle future generazioni di cronografi atomici.

Il prototipo di orologio atomico al cesio ottenuto da Louis Essen forniva una precisione di 1 * 10 -9, pur avendo un'ampiezza di risonanza di soli 340 Hertz

Poco dopo, il professore dell'Università di Harvard Norman Ramsey migliorò le idee di Isidor Rabi, riducendo l'impatto dell'effetto Doppler sulla precisione delle misurazioni. Propose, invece di un lungo impulso ad alta frequenza eccitante gli atomi, di utilizzarne due corti inviati ai bracci della guida d'onda a una certa distanza l'uno dall'altro. Ciò ha permesso di ridurre drasticamente l'ampiezza di risonanza e di fatto ha permesso di creare oscillatori atomici di un ordine di grandezza superiore in termini di precisione rispetto ai loro antenati al quarzo.

Negli anni Cinquanta del secolo scorso, sulla base dello schema proposto da Norman Ramsey, presso il National Physical Laboratory (Regno Unito), il suo dipendente Louis Essen lavorò su un oscillatore atomico basato sull'isotopo di cesio 133 Cs precedentemente proposto da Rabi. Il cesio non è stato scelto a caso.

Schema dei livelli di transizione iperfini degli atomi dell'isotopo cesio-133

Appartenendo al gruppo dei metalli alcalini, gli atomi di cesio sono estremamente facilmente eccitati per passare da un livello energetico all'altro. Ad esempio, un raggio di luce può facilmente eliminare un flusso di elettroni dalla struttura atomica del cesio. È grazie a questa proprietà che il cesio è ampiamente utilizzato nei fotorilevatori.

Progetto di un classico oscillatore al cesio basato su guida d'onda Ramsey

Primo standard ufficiale di frequenza del cesio NBS-1

Discendente di NBS-1: l'oscillatore NIST-7 utilizzava il pompaggio laser di un fascio di atomi di cesio

Ci sono voluti più di quattro anni perché il prototipo di Essen diventasse un vero standard. Dopotutto, la regolazione precisa degli orologi atomici era possibile solo confrontandoli con le unità di tempo effemeridi esistenti. Nel corso di quattro anni, l'oscillatore atomico è stato calibrato osservando la rotazione della Luna attorno alla Terra utilizzando una telecamera lunare di precisione inventata da William Markowitz dell'Osservatorio navale statunitense.

L '"adattamento" degli orologi atomici alle effemeridi lunari fu effettuato dal 1955 al 1958, dopodiché il dispositivo fu ufficialmente riconosciuto dalla NBS come standard di frequenza. Inoltre, la precisione senza precedenti degli orologi atomici al cesio ha spinto la NBS a modificare l’unità di tempo nello standard SI. Dal 1958, il secondo è stato ufficialmente adottato come “la durata di 9.192.631.770 periodi di radiazione corrispondenti alla transizione tra due livelli iperfini dello stato standard di un atomo dell’isotopo cesio-133”.

Il dispositivo di Louis Essen si chiamava NBS-1 ed era considerato il primo standard di frequenza al cesio.

Nei successivi trent'anni furono sviluppate sei modifiche di NBS-1, l'ultima delle quali, NIST-7, creata nel 1993 sostituendo i magneti con trappole laser, fornisce una precisione di 5 * 10 -15 con un'ampiezza di risonanza di soli sessanta -due Hertz.

Tabella comparativa delle caratteristiche degli standard di frequenza del cesio utilizzati da NBS

I dispositivi NBS sono supporti fissi, il che consente loro di essere classificati come oscillatori standard piuttosto che come oscillatori praticamente utilizzati. Ma per scopi puramente pratici, Hewlett-Packard ha lavorato a vantaggio dello standard di frequenza del cesio. Nel 1964, il futuro gigante dei computer creò una versione compatta dello standard di frequenza al cesio: il dispositivo HP 5060A.

Calibrati utilizzando gli standard NBS, gli standard di frequenza HP 5060 si adattano a un tipico rack di apparecchiature radio e sono stati un successo commerciale. Fu grazie allo standard di frequenza del cesio stabilito da Hewlett-Packard che si diffuse la precisione senza precedenti degli orologi atomici.

Hewlett-Packard 5060A.

Di conseguenza, divennero possibili cose come la televisione e le comunicazioni via satellite, i sistemi di navigazione globale e i servizi di sincronizzazione temporale delle reti di informazione. Ci sono state molte applicazioni per la tecnologia del cronografo atomico industrializzato. Allo stesso tempo, Hewlett-Packard non si è fermata qui e migliora costantemente la qualità degli standard di cesio, il loro peso e le loro dimensioni.

Famiglia di orologi atomici Hewlett-Packard

Nel 2005, la divisione orologi atomici di Hewlett-Packard è stata venduta a Simmetricom.

Insieme al cesio, le cui riserve in natura sono molto limitate e la sua domanda in vari campi tecnologici è estremamente elevata, come sostanza donatrice è stato utilizzato il rubidio, le cui proprietà sono molto vicine al cesio.

Sembrerebbe che lo schema esistente dell'orologio atomico sia stato portato alla perfezione. Nel frattempo, presentava un fastidioso inconveniente, la cui eliminazione è diventata possibile nella seconda generazione di standard di frequenza al cesio, chiamati fontane al cesio.

Fontane del tempo e melassa ottica

Nonostante la massima precisione del cronometro atomico NIST-7, che utilizza il rilevamento laser dello stato degli atomi di cesio, il suo design non è fondamentalmente diverso dai progetti delle prime versioni degli standard di frequenza del cesio.

Uno svantaggio progettuale di tutti questi schemi è che è fondamentalmente impossibile controllare la velocità di propagazione di un fascio di atomi di cesio che si muove in una guida d'onda. E questo nonostante il fatto che la velocità di movimento degli atomi di cesio a temperatura ambiente sia di cento metri al secondo. Molto velocemente.

Questo è il motivo per cui tutte le modifiche agli standard di cesio sono la ricerca di un equilibrio tra la dimensione della guida d'onda, che ha il tempo di influenzare gli atomi di cesio veloci in due punti, e l'accuratezza nel rilevare i risultati di questa influenza. Quanto più piccola è la guida d'onda, tanto più difficile è produrre successivi impulsi elettromagnetici che colpiscano gli stessi atomi.

E se trovassimo un modo per ridurre la velocità degli atomi di cesio? Era questa idea che preoccupava lo studente del MIT Jerold Zacharius, che studiò l'influenza della gravità sul comportamento degli atomi alla fine degli anni Quaranta del secolo scorso. Successivamente, coinvolto nello sviluppo di una variante dello standard di frequenza del cesio Atomichron, Zacharius propose l'idea di una fontana di cesio, un metodo per ridurre la velocità degli atomi di cesio a un centimetro al secondo e liberarsi della guida d'onda a doppio braccio degli oscillatori atomici tradizionali.

L'idea di Zacharius era semplice. Cosa succederebbe se sparassi atomi di cesio verticalmente all'interno di un oscillatore? Quindi gli stessi atomi passeranno attraverso il rilevatore due volte: la prima volta verso l'alto e l'altra verso il basso, dove si precipiteranno sotto l'influenza della gravità. In questo caso, il movimento verso il basso degli atomi sarà notevolmente più lento del loro decollo, perché durante il loro viaggio nella fontana perderanno energia. Sfortunatamente, negli anni Cinquanta del secolo scorso, Zacharius non riuscì a realizzare le sue idee. Nella sua configurazione sperimentale, gli atomi che si muovevano verso l'alto interagivano con quelli che cadevano verso il basso, il che confondeva l'accuratezza del rilevamento.

L'idea di Zacharius venne restituita solo negli anni Ottanta. Gli scienziati dell'Università di Stanford, guidati da Steven Chu, hanno trovato un modo per realizzare la Fontana di Zacharius utilizzando un metodo che chiamano "melassa ottica".

Nella fontana di cesio di Chu, una nuvola di atomi di cesio sparati verso l'alto viene preraffreddata da un sistema di tre coppie di laser controdiretti che hanno una frequenza di risonanza appena inferiore alla risonanza ottica degli atomi di cesio.

Schema di una fontana di cesio con melassa ottica.

Gli atomi di cesio raffreddati dal laser iniziano a muoversi lentamente, come se attraversassero la melassa. La loro velocità scende a tre metri al secondo. La riduzione della velocità degli atomi offre ai ricercatori l'opportunità di rilevare gli stati in modo più accurato (devi ammettere che è molto più facile vedere le targhe di un'auto che si muove a una velocità di un chilometro all'ora che un'auto che si muove a una velocità di cento chilometri all'ora).

Una palla di atomi di cesio raffreddati viene lanciata verso l'alto di circa un metro, passando lungo una guida d'onda, attraverso la quale gli atomi sono esposti a un campo elettromagnetico di frequenza di risonanza. E il rilevatore del sistema registra per la prima volta il cambiamento nello stato degli atomi. Raggiunto il “soffitto”, gli atomi raffreddati iniziano a cadere per gravità e passano attraverso la guida d'onda una seconda volta. Sulla via del ritorno, il rilevatore registra nuovamente la loro condizione. Poiché gli atomi si muovono estremamente lentamente, il loro volo sotto forma di una nuvola abbastanza densa è facile da controllare, il che significa che nella fontana non ci saranno atomi che voleranno su e giù contemporaneamente.

L'impianto di fontana al cesio di Chu è stato adottato dalla NBS come standard di frequenza nel 1998 e denominato NIST-F1. Il suo errore era 4 * 10 -16, il che significa che NIST-F1 era più accurato del suo predecessore NIST-7.

In effetti, il NIST-F1 ha raggiunto il limite di precisione nella misurazione dello stato degli atomi di cesio. Ma gli scienziati non si sono fermati a questa vittoria. Hanno deciso di eliminare l'errore che la radiazione del corpo nero introduce nel funzionamento degli orologi atomici, il risultato dell'interazione degli atomi di cesio con la radiazione termica del corpo dell'installazione in cui si muovono. Il nuovo cronografo atomico NIST-F2 ha posizionato una fontana di cesio in una camera criogenica, riducendo la radiazione del corpo nero quasi a zero. L'errore NIST-F2 è un incredibile 3*10 -17.

Grafico della riduzione dell'errore delle varianti standard della frequenza del cesio

Attualmente, gli orologi atomici basati su fontane di cesio forniscono all'umanità lo standard del tempo più accurato, rispetto al quale batte il polso della nostra civiltà tecnogenica. Grazie a trucchi ingegneristici, i maser a idrogeno pulsato che raffreddano gli atomi di cesio nelle versioni stazionarie di NIST-F1 e NIST-F2 sono stati sostituiti da un raggio laser convenzionale che lavora in tandem con un sistema magneto-ottico. Ciò ha permesso di creare versioni compatte e altamente resistenti degli standard NIST-Fx che possono essere utilizzate nei veicoli spaziali. Chiamati in modo abbastanza fantasioso "Aerospace Cold Atom Clock", questi standard di frequenza sono installati nei satelliti dei sistemi di navigazione come il GPS, il che garantisce la loro straordinaria sincronizzazione per risolvere il problema del calcolo molto accurato delle coordinate dei ricevitori GPS utilizzati nei nostri gadget.

Una versione compatta dell'orologio atomico a fontana di cesio, chiamato "Aerospace Cold Atom Clock", viene utilizzata nei satelliti GPS

Il calcolo del riferimento temporale viene eseguito da un "insieme" di dieci NIST-F2 dislocati in vari centri di ricerca che collaborano con la NBS. Il valore esatto del secondo atomico viene ottenuto collettivamente, eliminando così vari errori e l'influenza del fattore umano.

Tuttavia, è possibile che un giorno lo standard di frequenza del cesio venga percepito dai nostri discendenti come un meccanismo molto rozzo per misurare il tempo, proprio come ora guardiamo con condiscendenza i movimenti del pendolo negli orologi a pendolo meccanici dei nostri antenati.

In primo luogo, l’umanità utilizza gli orologi come mezzo per il controllo del tempo programmato.

In secondo luogo, oggi la misurazione del tempo è il tipo di misurazione più accurato di tutti: la precisione della misurazione del tempo è ora determinata da un incredibile errore dell'ordine di 1·10-11%, ovvero 1 s in 300mila anni.

E le persone moderne hanno raggiunto tale precisione quando hanno iniziato a utilizzare atomi, che, a causa delle loro oscillazioni, sono il regolatore dell'orologio atomico. Gli atomi di cesio si trovano in due stati energetici di cui abbiamo bisogno (+) e (-). La radiazione elettromagnetica con una frequenza di 9.192.631.770 hertz viene prodotta quando gli atomi passano dallo stato (+) allo stato (-), creando un processo periodico preciso e costante: il regolatore del codice dell'orologio atomico.

Affinché gli orologi atomici funzionino in modo accurato, il cesio deve essere evaporato in una fornace, un processo che rilascia i suoi atomi. Dietro la fornace c'è un magnete di smistamento, che ha la capacità degli atomi nello stato (+), e in esso, a causa dell'irradiazione nel campo delle microonde, gli atomi entrano nello stato (-). Il secondo magnete dirige gli atomi che hanno cambiato stato (+) in (-) nel dispositivo ricevente. Molti atomi che hanno cambiato stato si ottengono solo se la frequenza dell'emettitore di microonde coincide esattamente con la frequenza di vibrazione del cesio di 9.192.631.770 hertz. Altrimenti, il numero di atomi (-) nel dispositivo ricevente diminuisce.

I dispositivi monitorano e regolano costantemente la frequenza costante di 9.192.631.770 hertz. Ciò significa che il sogno dei designer di orologi si è avverato, è stato trovato un processo periodico assolutamente costante: una frequenza di 9.192.631.770 hertz, che regola il corso degli orologi atomici.

Oggi, in seguito ad accordi internazionali, un secondo viene definito come il periodo di radiazione moltiplicato per 9.192.631.770, corrispondente alla transizione tra due livelli strutturali iperfini dello stato fondamentale dell'atomo di cesio (isotopo cesio-133).

Per misurare il tempo preciso, è possibile utilizzare anche le vibrazioni di altri atomi e molecole, come atomi di calcio, rubidio, cesio, stronzio, molecole di idrogeno, iodio, metano, ecc. Tuttavia, la radiazione dell'atomo di cesio è riconosciuta come frequenza standard. Per confrontare le vibrazioni di diversi atomi con uno standard (cesio), è stato creato un laser al titanio-zaffiro che genera un'ampia gamma di frequenze nell'intervallo da 400 a 1000 nm.

Il primo creatore di orologi al quarzo e atomici fu un fisico sperimentale inglese Lewis Essen (1908-1997). Nel 1955 creò il primo standard di frequenza atomica (tempo) utilizzando un fascio di atomi di cesio. Come risultato di questo lavoro, 3 anni dopo (1958) nacque un servizio temporale basato sullo standard della frequenza atomica.

Nell'URSS, l'accademico Nikolai Gennadievich Basov ha presentato le sue idee per creare un orologio atomico.

COSÌ, orologio atomico, Uno dei tipi precisi di orologi è un dispositivo per misurare il tempo, in cui le vibrazioni naturali di atomi o molecole vengono utilizzate come pendolo. La stabilità degli orologi atomici è la migliore tra tutti i tipi di orologi esistenti, ed è la chiave per la massima precisione. Il generatore dell'orologio atomico produce più di 32.768 impulsi al secondo, a differenza degli orologi convenzionali. Le vibrazioni atomiche non dipendono dalla temperatura dell'aria, dalle vibrazioni, dall'umidità e da molti altri fattori esterni.

Nel mondo moderno, quando semplicemente non puoi fare a meno della navigazione, gli orologi atomici sono diventati assistenti indispensabili. Sono in grado di determinare automaticamente la posizione di un'astronave, di un satellite, di un missile balistico, di un aereo, di un sottomarino o di un'auto tramite comunicazioni satellitari.

Pertanto, negli ultimi 50 anni, gli orologi atomici, o meglio gli orologi al cesio, sono stati considerati i più precisi. Sono utilizzati da tempo dai servizi orari e i segnali orari vengono trasmessi anche da alcune stazioni radio.

Il dispositivo dell'orologio atomico comprende 3 parti:

discriminatore quantistico,

oscillatore al quarzo,

complesso elettronico.

L'oscillatore al quarzo genera una frequenza (5 o 10 MHz). L'oscillatore è un generatore radio RC, che utilizza le modalità piezoelettriche di un cristallo di quarzo come elemento risonante, dove vengono confrontati gli atomi che hanno cambiato stato (+) con (-). Per aumentare la stabilità, la sua frequenza viene costantemente confrontata con le oscillazioni di un discriminatore quantistico (atomi o molecole). Quando si verifica una differenza di oscillazione, l'elettronica regola la frequenza dell'oscillatore al quarzo su zero, aumentando così la stabilità e la precisione dell'orologio al livello desiderato.

Nel mondo moderno, gli orologi atomici possono essere fabbricati in qualsiasi paese del mondo per essere utilizzati nella vita di tutti i giorni. Sono di dimensioni molto piccole e bellissime. L'ultimo orologio atomico non è più grande di una scatola di fiammiferi e ha un basso consumo energetico inferiore a 1 watt. E questo non è il limite, forse in futuro il progresso tecnico raggiungerà i telefoni cellulari. Nel frattempo, gli orologi atomici compatti vengono installati solo sui missili strategici per aumentare molte volte la precisione della navigazione.

Oggi nei negozi online è possibile acquistare orologi atomici da uomo e da donna per ogni gusto e budget.

Nel 2011, gli specialisti di Symmetricom e Sandia National Laboratories hanno creato l'orologio atomico più piccolo del mondo. Questo orologio è 100 volte più compatto delle precedenti versioni disponibili in commercio. La dimensione di un cronometro atomico non è più grande di una scatola di fiammiferi. Per funzionare necessita di soli 100 mW di potenza, ovvero 100 volte in meno rispetto ai suoi predecessori.

È stato possibile ridurre le dimensioni dell'orologio installando al posto di molle e ingranaggi un meccanismo che funziona secondo il principio di determinazione della frequenza delle onde elettromagnetiche emesse dagli atomi di cesio sotto l'influenza di un raggio laser di potenza trascurabile.

Tali orologi vengono utilizzati nella navigazione, così come nel lavoro di minatori, subacquei, dove è necessario sincronizzare accuratamente l'ora con i colleghi in superficie, nonché servizi orari precisi, poiché l'errore degli orologi atomici è inferiore a 0,000001 frazioni di un secondo al giorno. Il costo del piccolo orologio atomico record Symmetricom era di circa $ 1.500.

Quando la luce si spegne improvvisamente e si riaccende poco dopo, come fai a sapere a che ora impostare l'orologio? Sì, sto parlando degli orologi elettronici, che probabilmente molti di noi possiedono. Hai mai pensato a come viene regolato il tempo? In questo articolo impareremo tutto sull'orologio atomico e su come fa battere il mondo intero.

Gli orologi atomici sono radioattivi?

Gli orologi atomici raccontano l'ora meglio di qualsiasi altro orologio. Mostrano il tempo meglio della rotazione della Terra e del movimento delle stelle. Senza gli orologi atomici, la navigazione GPS sarebbe impossibile, Internet non sarebbe sincronizzato e le posizioni dei pianeti non sarebbero note con sufficiente precisione per le sonde e i veicoli spaziali.

Gli orologi atomici non sono radioattivi. Non si basano sulla fissione atomica. Inoltre, ha una molla, proprio come un normale orologio. La più grande differenza tra un orologio standard e un orologio atomico è che le oscillazioni in un orologio atomico si verificano nel nucleo di un atomo tra gli elettroni che lo circondano. Queste oscillazioni difficilmente sono parallele al bilanciere di un orologio a carica, ma entrambi i tipi di oscillazione possono essere utilizzati per tracciare il passare del tempo. La frequenza delle vibrazioni all'interno di un atomo è determinata dalla massa del nucleo, dalla gravità e dalla “molla” elettrostatica tra la carica positiva del nucleo e la nuvola di elettroni attorno ad esso.

Quali tipi di orologi atomici conosciamo?

Oggi esistono diversi tipi di orologi atomici, ma sono costruiti sugli stessi principi. La differenza principale riguarda l'elemento e i mezzi per rilevare i cambiamenti nei livelli di energia. I diversi tipi di orologi atomici includono quanto segue:

• Orologi atomici al cesio che utilizzano fasci di atomi di cesio. L'orologio separa gli atomi di cesio con diversi livelli di energia utilizzando un campo magnetico.
• Un orologio atomico a idrogeno mantiene gli atomi di idrogeno al giusto livello energetico in un contenitore le cui pareti sono realizzate con un materiale speciale in modo che gli atomi non perdano il loro stato ad alta energia troppo rapidamente.
• Gli orologi atomici al rubidio, i più semplici e compatti di tutti, utilizzano una cella di vetro contenente gas rubidio.

Gli orologi atomici più accurati oggi utilizzano un atomo di cesio e un campo magnetico convenzionale con rilevatori. Inoltre, gli atomi di cesio vengono contenuti dai raggi laser, il che riduce le piccole variazioni di frequenza dovute all'effetto Doppler.

Come funzionano gli orologi atomici al cesio?

Gli atomi hanno una frequenza di vibrazione caratteristica. Un esempio familiare di frequenza è il bagliore arancione del sodio nel sale da cucina quando viene gettato nel fuoco. Un atomo ha molte frequenze diverse, alcune nella gamma radio, altre nello spettro visibile e altre ancora nel mezzo. Il cesio-133 viene spesso scelto per gli orologi atomici.

Per far risuonare gli atomi di cesio in un orologio atomico, una delle transizioni, o la frequenza di risonanza, deve essere misurata accuratamente. Questo di solito viene fatto bloccando un oscillatore a cristallo nella risonanza fondamentale delle microonde dell'atomo di cesio. Questo segnale si trova nella gamma delle microonde dello spettro delle radiofrequenze e ha la stessa frequenza dei segnali satellitari trasmessi direttamente. Gli ingegneri sanno come creare apparecchiature per questa regione dello spettro, in grande dettaglio.

Per creare un orologio, il cesio viene prima riscaldato in modo che gli atomi vengano vaporizzati e fatti passare attraverso un tubo ad alto vuoto. Passano prima attraverso un campo magnetico, che seleziona gli atomi con lo stato energetico desiderato; passano poi attraverso un intenso campo di microonde. La frequenza dell'energia a microonde salta avanti e indietro in una gamma ristretta di frequenze così che a un certo punto raggiunge una frequenza di 9.192.631.770 hertz (Hz, o cicli al secondo). La gamma dell'oscillatore a microonde è già vicina a questa frequenza perché è prodotta da un preciso oscillatore a cristallo. Quando un atomo di cesio riceve energia a microonde della frequenza desiderata, cambia il suo stato energetico.

Alla fine del tubo, un altro campo magnetico separa gli atomi che hanno cambiato il loro stato energetico se il campo delle microonde era della giusta frequenza. Il rilevatore all'estremità del tubo produce un segnale in uscita proporzionale al numero di atomi di cesio che lo colpiscono e raggiunge il picco quando la frequenza delle microonde è sufficientemente corretta. Questo segnale di picco è necessario per la correzione per portare l'oscillatore a cristallo, e quindi il campo delle microonde, alla frequenza desiderata. Questa frequenza bloccata viene quindi divisa per 9.192.631.770 per fornire il familiare impulso al secondo di cui il mondo reale ha bisogno.

Quando è stato inventato l'orologio atomico?

Nel 1945, il professore di fisica della Columbia University Isidor Rabi propose un orologio che potesse essere realizzato sulla base di tecniche sviluppate negli anni '30. Si chiamava risonanza magnetica a fascio atomico. Nel 1949, il National Bureau of Standards annunciò la creazione del primo orologio atomico al mondo basato sulla molecola di ammoniaca, le cui vibrazioni furono lette, e nel 1952 creò il primo orologio atomico al mondo basato su atomi di cesio, NBS-1.

Nel 1955, il National Physical Laboratory in Inghilterra costruì il primo orologio utilizzando un fascio di cesio come sorgente di calibrazione. Nel decennio successivo furono creati orologi più avanzati. Nel 1967, durante la 13a Conferenza Generale sui Pesi e le Misure, il secondo SI fu determinato sulla base delle vibrazioni dell'atomo di cesio. Nel sistema di cronometraggio mondiale non esisteva una definizione più precisa di questa. NBS-4, l'orologio al cesio più stabile al mondo, fu completato nel 1968 e rimase in uso fino al 1990.

Si sente spesso dire che gli orologi atomici mostrano sempre l'ora esatta. Ma dal loro nome è difficile capire perché gli orologi atomici siano i più precisi o come funzionino.

Solo perché il nome contiene la parola "atomico" non significa che l'orologio rappresenti un pericolo per la vita, anche se vengono subito in mente i pensieri di una bomba atomica o di una centrale nucleare. In questo caso stiamo parlando solo del principio di funzionamento dell'orologio. Se in un normale orologio meccanico i movimenti oscillatori vengono eseguiti dagli ingranaggi e vengono contati i loro movimenti, in un orologio atomico vengono contate le oscillazioni degli elettroni all'interno degli atomi. Per comprendere meglio il principio di funzionamento ricordiamo la fisica delle particelle elementari.

Tutte le sostanze nel nostro mondo sono fatte di atomi. Gli atomi sono costituiti da protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni si combinano tra loro per formare un nucleo, chiamato anche nucleone. Gli elettroni si muovono attorno al nucleo, che può trovarsi a diversi livelli energetici. La cosa più interessante è che quando assorbe o rilascia energia, un elettrone può spostarsi dal suo livello energetico a uno superiore o inferiore. Un elettrone può ottenere energia dalla radiazione elettromagnetica, assorbendo o emettendo radiazione elettromagnetica di una certa frequenza ad ogni transizione.

Molto spesso ci sono orologi in cui gli atomi dell'elemento cesio -133 vengono utilizzati per il cambiamento. Se in 1 secondo il pendolo Ore regolari fa 1 movimento oscillatorio, poi gli elettroni negli orologi atomici a base di Cesio-133, quando passano da un livello energetico all'altro, emettono radiazioni elettromagnetiche con una frequenza di 9192631770 Hz. Si scopre che un secondo è diviso esattamente in questo numero di intervalli se viene calcolato negli orologi atomici. Questo valore è stato adottato ufficialmente dalla comunità internazionale nel 1967. Immagina un quadrante enorme con non 60, ma 9192631770 divisioni, che costituiscono solo 1 secondo. Non sorprende che gli orologi atomici siano così precisi e presentino numerosi vantaggi: gli atomi non sono soggetti a invecchiamento, non si consumano e la frequenza di oscillazione sarà sempre la stessa per un elemento chimico, grazie al quale è possibile confrontare in modo sincrono, ad esempio, le letture degli orologi atomici lontani nello spazio e sulla Terra, senza timore di errori.

Grazie agli orologi atomici, l'umanità ha potuto verificare in pratica la correttezza della teoria della relatività e assicurarsi che sia migliore che sulla Terra. Gli orologi atomici sono installati su molti satelliti e veicoli spaziali; vengono utilizzati per esigenze di telecomunicazioni, per comunicazioni mobili e vengono utilizzati per confrontare l'ora esatta sull'intero pianeta. Senza esagerare, è stato grazie all'invenzione degli orologi atomici che l'umanità è riuscita ad entrare nell'era dell'alta tecnologia.

Come funzionano gli orologi atomici?

Il cesio-133 viene riscaldato facendo evaporare gli atomi di cesio, che vengono fatti passare attraverso un campo magnetico, dove vengono selezionati gli atomi con gli stati energetici desiderati.

Gli atomi selezionati passano quindi attraverso un campo magnetico con una frequenza vicina a 9192631770 Hz, creato da un oscillatore al quarzo. Sotto l’influenza del campo, gli atomi di cesio cambiano nuovamente stato energetico e cadono su un rilevatore, che registra quando il maggior numero di atomi in arrivo avrà lo stato energetico “corretto”. Il numero massimo di atomi con uno stato energetico modificato indica che la frequenza del campo a microonde è selezionata correttamente e quindi il suo valore viene immesso in un dispositivo elettronico: un divisore di frequenza che, riducendo la frequenza di un numero intero di volte, riceve il numero 1, che è il secondo di riferimento.

Gli atomi di cesio vengono quindi utilizzati per verificare la corretta frequenza del campo magnetico prodotto dall'oscillatore a cristallo, contribuendo a mantenerlo ad un valore costante.

Questo è interessante: Sebbene gli attuali orologi atomici siano accurati senza precedenti e possano funzionare per milioni di anni senza errori, i fisici non si fermeranno qui. Utilizzando atomi di vari elementi chimici, lavorano costantemente per migliorare la precisione degli orologi atomici. Tra le ultime invenzioni c'è l'orologio atomico stronzio, che sono tre volte più precisi della loro controparte al cesio. Per restare indietro anche solo di un secondo, avranno bisogno di 15 miliardi di anni, un tempo che supera l'età del nostro Universo...

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