Anak panah masa: cara jam atom berfungsi. Pembangunan dan aplikasi nanoteknologi masa hadapan: nanoteknologi terkini semasa dalam perubatan dan pembuatan

Kertas dinding
11.10.2019

Jam atom

Jika kita menilai ketepatan jam kuarza dari sudut pandangan kestabilan jangka pendeknya, maka mesti dikatakan bahawa ketepatan ini jauh lebih tinggi daripada jam bandul, yang, bagaimanapun, menunjukkan kestabilan yang lebih tinggi semasa pengukuran jangka panjang. Dalam jam tangan kuarza, pergerakan yang tidak teratur disebabkan oleh perubahan dalam struktur dalaman kuarza dan ketidakstabilan sistem elektronik.

Sumber utama ketidakstabilan frekuensi ialah penuaan kristal kuarza yang menyegerakkan frekuensi pengayun. Benar, pengukuran telah menunjukkan bahawa penuaan kristal, disertai dengan peningkatan kekerapan, berlaku tanpa turun naik yang besar dan perubahan mendadak. Walaupun. Penuaan ini menjejaskan operasi yang betul jam tangan kuarza dan menentukan keperluan untuk pemantauan tetap oleh peranti lain dengan pengayun yang mempunyai tindak balas frekuensi yang stabil dan tidak berubah.

Perkembangan pesat spektroskopi gelombang mikro selepas Perang Dunia Kedua membuka kemungkinan baru untuk pengukuran masa yang tepat melalui frekuensi yang sepadan dengan garis spektrum yang sesuai. Frekuensi ini, yang boleh dianggap sebagai piawaian frekuensi, membawa kepada idea untuk menggunakan pengayun kuantum sebagai piawaian masa.

Keputusan ini merupakan satu pusingan bersejarah dalam sejarah kronometri, kerana ia bermakna penggantian unit astronomi masa yang sah sebelum ini dengan unit kuantum masa yang baharu. Unit masa baharu ini diperkenalkan sebagai tempoh sinaran peralihan yang ditakrifkan dengan tepat antara tahap tenaga molekul beberapa bahan yang dipilih khas. Selepas penyelidikan intensif terhadap masalah ini buat kali pertama tahun selepas perang berjaya membina peranti yang beroperasi pada prinsip penyerapan terkawal tenaga gelombang mikro dalam cecair ammonia pada tekanan rendah. Walau bagaimanapun, eksperimen pertama dengan peranti yang dilengkapi dengan unsur penyerapan tidak memberikan hasil yang diharapkan, kerana pengembangan garis penyerapan yang disebabkan oleh perlanggaran bersama molekul menjadikannya sukar untuk menentukan kekerapan peralihan kuantum itu sendiri. Hanya dengan kaedah rasuk sempit molekul ammonia terbang bebas di USSR A.M. Prokhorov dan N.G. Basov, dan di Amerika Syarikat Townes dari Universiti Columbia berjaya mengurangkan dengan ketara kebarangkalian perlanggaran bersama molekul dan secara praktikal menghapuskan perluasan garis spektrum. Di bawah keadaan ini, molekul ammonia sudah boleh memainkan peranan sebagai penjana atom. Rasuk molekul sempit, dilepaskan melalui muncung ke dalam ruang vakum, melalui medan elektrostatik yang tidak seragam di mana molekul diasingkan. Molekul dalam keadaan kuantum yang lebih tinggi diarahkan kepada resonator yang ditala, di mana ia membebaskan tenaga elektromagnet pada frekuensi malar 23,870,128,825 Hz. Kekerapan ini kemudiannya dibandingkan dengan frekuensi pengayun kuarza yang termasuk dalam litar jam atom. Penjana kuantum pertama, maser ammonia (Penguatan Gelombang Mikro oleh Pembebasan Terransang Sinaran), dibina berdasarkan prinsip ini.

N.G. Basov, A.M. Prokhorov dan Townes menerima Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 1964 untuk kerja ini.

Para saintis dari Switzerland, Jepun, Jerman, Great Britain, Perancis dan, akhir sekali, Czechoslovakia juga mengkaji kestabilan frekuensi maser ammonia. Dalam tempoh 1968-1979. Di Institut Kejuruteraan Radio dan Elektronik Akademi Sains Czechoslovakia, beberapa penjana ammonia telah dibina dan dimasukkan ke dalam operasi percubaan, yang berfungsi sebagai piawaian frekuensi untuk menyimpan masa yang tepat dalam jam atom buatan Czechoslovakia. Mereka mencapai kestabilan frekuensi tertib 10-10, yang sepadan dengan variasi harian sebanyak 20 persejuta saat.

Pada masa ini, frekuensi atom dan piawaian masa digunakan terutamanya untuk dua tujuan utama - untuk mengukur masa dan untuk menentukur dan memantau piawaian frekuensi basal. Dalam kedua-dua kes, kekerapan penjana jam kuarza dibandingkan dengan kekerapan piawai atom.

Apabila mengukur masa, kekerapan piawai atom dan kekerapan penjana jam kristal dibandingkan dengan kerap, dan berdasarkan sisihan yang dikenal pasti, interpolasi linear dan pembetulan masa purata ditentukan. Masa sebenar kemudiannya diperoleh daripada jumlah bacaan jam kuarza dan pembetulan masa purata ini. Dalam kes ini, ralat yang terhasil daripada interpolasi ditentukan oleh sifat penuaan kristal jam tangan kuarza.

Keputusan luar biasa yang dicapai dengan piawaian masa atom, dengan ralat hanya 1 s setiap seribu tahun, adalah sebab mengapa takrifan baharu unit masa diberikan pada Persidangan Agung Ketiga Belas mengenai Timbang dan Sukat, yang diadakan di Paris pada Oktober 1967 - satu saat atom, yang kini ditakrifkan sebagai 9,192,631,770 ayunan sinaran atom cesium-133.

Seperti yang kami nyatakan di atas, apabila kristal kuarza semakin tua, frekuensi ayunan pengayun kuarza meningkat secara beransur-ansur dan perbezaan antara frekuensi kuarza dan pengayun atom terus meningkat. Sekiranya lengkung penuaan kristal adalah betul, maka cukup untuk membetulkan getaran kuarza hanya secara berkala, sekurang-kurangnya pada selang beberapa hari. Dengan cara ini, pengayun atom tidak perlu digandingkan secara kekal dengan sistem jam kuarza, yang sangat berfaedah kerana penembusan pengaruh yang mengganggu ke dalam sistem pengukuran adalah terhad.

Jam atom Switzerland dengan dua pengayun molekul ammonia, yang ditunjukkan di Pameran Dunia di Brussels pada tahun 1958, mencapai ketepatan seratus ribu saat sehari, iaitu kira-kira seribu kali lebih tepat daripada jam bandul yang tepat. Ketepatan ini sudah memungkinkan untuk mengkaji ketidakstabilan berkala dalam kelajuan putaran paksi bumi. Graf dalam Rajah. 39, iaitu seperti imej perkembangan sejarah instrumen kronometrik dan penambahbaikan kaedah untuk mengukur masa, menunjukkan bagaimana, hampir secara ajaib, ketepatan pengukuran masa telah meningkat selama beberapa abad. Dalam 300 tahun yang lalu sahaja, ketepatan ini telah meningkat lebih daripada 100,000 kali ganda.

nasi. 39. Ketepatan instrumen kronometrik dalam tempoh dari 1930 hingga 1950.

Ahli kimia Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) adalah orang pertama yang menemui cesium, yang atomnya, di bawah keadaan yang dipilih dengan betul, mampu menyerap sinaran elektromagnet dengan frekuensi kira-kira 9192 MHz. Harta ini telah digunakan oleh Sherwood dan McCracken untuk mencipta resonator rasuk cesium pertama. Tidak lama selepas itu, L. Essen, bekerja di Makmal Fizikal Kebangsaan di England, mengarahkan usahanya kepada penggunaan praktikal resonator sesium untuk mengukur frekuensi dan masa. Dengan kerjasama kumpulan astronomi Balai Cerap Nevel Amerika Syarikat, dia sudah berada di 1955-1958. menentukan kekerapan peralihan kuantum cesium pada 9,192,631,770 Hz dan mengaitkannya dengan takrifan semasa ephemeris saat itu, yang kemudiannya, seperti yang dinyatakan di atas, membawa kepada penubuhan takrifan baharu unit masa. Resonator sesium berikut telah dibina di Majlis Penyelidikan Kebangsaan Kanada di Ottawa, di makmal Swiss des Researches Horlogeres di Neuchâtel, dll. Jenis komersil pertama jam atom yang dihasilkan secara industri telah dilancarkan di pasaran pada tahun 1956 di bawah nama Atomichron oleh Syarikat Amerika Syarikat Nasional Walden" di Massachusetts.

Kerumitan jam atom menunjukkan bahawa penggunaan pengayun atom hanya boleh dilakukan di rantau ini pengukuran makmal masa yang dilakukan menggunakan alat pengukur yang besar. Malah, ini berlaku sehingga baru-baru ini. Walau bagaimanapun, pengecilan telah menembusi kawasan ini juga. Syarikat Jepun terkenal Seiko-Hattori, yang menghasilkan kronograf kompleks dengan pengayun kristal, menawarkan jam tangan atom pertama, sekali lagi dibuat dengan kerjasama syarikat Amerika Syarikat McDonnell Douglas Astronautics. Syarikat ini juga menghasilkan sel bahan api kecil, yang merupakan sumber tenaga untuk jam tangan yang disebutkan. Tenaga elektrik dalam elemen saiz 13 ini? 6.4 mm menghasilkan radioisotop promethium-147; Hayat perkhidmatan elemen ini adalah lima tahun. Sarung jam tangan diperbuat daripada tantalum dan daripada keluli tahan karat, adalah perlindungan yang mencukupi terhadap sinar beta unsur yang dipancarkan ke alam sekitar.

Pengukuran astronomi, kajian pergerakan planet di angkasa dan pelbagai kajian astronomi radio kini tidak boleh dilakukan tanpa pengetahuan tentang masa yang tepat. Ketepatan yang diperlukan daripada jam kuarza atau atom dalam kes sedemikian berbeza-beza dalam sepersejuta saat. Dengan peningkatan ketepatan maklumat masa yang dibekalkan, masalah penyegerakan jam bertambah. Kaedah isyarat masa yang dipancarkan radio yang pernah memuaskan sepenuhnya pada gelombang pendek dan panjang ternyata tidak cukup tepat untuk menyegerakkan dua peranti penentu masa yang terletak berdekatan antara satu sama lain dengan ketepatan lebih daripada 0.001 s, dan kini walaupun tahap ketepatan ini tidak lebih lama memuaskan.

Satu daripada penyelesaian yang mungkin- pengangkutan jam tambahan ke tempat ukuran perbandingan - disediakan oleh pengecilan unsur elektronik. Pada awal 60-an, jam kuarza dan atom khas telah dibina yang boleh diangkut dengan kapal terbang. Mereka boleh diangkut di antara makmal astronomi, dan pada masa yang sama mereka memberikan maklumat masa dengan ketepatan satu persejuta saat. Sebagai contoh, apabila pada tahun 1967, jam cesium kecil yang dikeluarkan oleh syarikat California Hewlett-Packard diangkut antara benua, peranti ini melalui 53 makmal di seluruh dunia (ia juga di Czechoslovakia), dan dengan bantuannya jam tempatan disegerakkan dengan ketepatan 0.1 µs (0.0000001 s).

Satelit komunikasi juga boleh digunakan untuk perbandingan masa mikrosaat. Pada tahun 1962, kaedah ini digunakan oleh Great Britain dan Amerika Syarikat dengan menghantar isyarat masa melalui satelit Telestar. Keputusan yang lebih baik pada kos yang lebih rendah, bagaimanapun, telah dicapai dengan menghantar isyarat menggunakan teknologi televisyen.

Kaedah penghantaran masa dan kekerapan yang tepat menggunakan denyutan jam televisyen telah dibangunkan dan dibangunkan di Czechoslovak institusi saintifik. Pembawa tambahan maklumat masa di sini ialah denyutan video penyegerakan, yang sama sekali tidak mengganggu penghantaran program televisyen. Dalam kes ini, tidak perlu memasukkan sebarang denyutan tambahan ke dalam isyarat imej televisyen.

Syarat untuk menggunakan kaedah ini ialah program televisyen yang sama boleh diterima di lokasi jam yang dibandingkan. Jam yang dibandingkan adalah pra-dilaraskan kepada ketepatan beberapa milisaat, dan pengukuran kemudiannya mesti dijalankan di semua stesen pengukur secara serentak. Di samping itu, adalah perlu untuk mengetahui perbezaan masa yang diperlukan untuk menghantar denyutan penyegerakan daripada sumber biasa, iaitu penyegerak televisyen, kepada penerima di lokasi jam yang dibandingkan.

Daripada buku How People Discovered Their Land pengarang Tomilin Anatoly Nikolaevich

Pemecah ais nuklear generasi kedua Selepas kapal pemecah ais utama - kapal pemecah ais nuklear "Lenin" - tiga lagi dibina di Leningrad pemecah ais nuklear, wira atom. Mereka dipanggil pemecah ais generasi kedua. Apakah maksud ini? Mungkin, pertama sekali, apabila mencipta baharu

Dari buku Broken Sword of the Empire pengarang Kalashnikov Maxim

BAB 14 TERGANGGU PENERBANGAN ELANG. RUSSIAN CRUISERS - HEAVY, NUCLEAR, MISSILE... 1 Kami tidak mencipta buku ini sebagai ratapan atas kehilangan kehebatan. Walaupun kita boleh menulis berpuluh-puluh halaman yang menggambarkan keadaan semasa (ditulis pada tahun 1996) tentang apa yang pernah menjadi armada yang hebat

Dari Buku Kedua Perang Dunia oleh Beevor Anthony

Bab 50 Bom Atom dan Kekalahan Jepun Mei–September 1945 Pada masa Jerman menyerah kalah pada Mei 1945, tentera Jepun di China menerima arahan dari Tokyo untuk mula berundur ke pantai timur. Tentera Nasionalis Chiang Kai-shek telah dipukul teruk semasa Jepun

pengarang

Jam Matahari Tidak dinafikan, peranti kronometrik yang paling biasa ialah jam matahari, berdasarkan pergerakan matahari harian dan kadangkala tahunan yang ketara. Jam sedemikian muncul tidak lebih awal daripada manusia menyedari hubungan antara panjang dan kedudukan bayang-bayang itu

Daripada buku Another History of Science. Dari Aristotle hingga Newton pengarang Kalyuzhny Dmitry Vitalievich

Jam air Jam matahari ialah penunjuk masa yang mudah dan boleh dipercayai, tetapi mengalami beberapa kelemahan yang serius: operasinya bergantung pada cuaca dan terhad kepada masa antara matahari terbit dan terbenam. Tidak dinafikan bahawa kerana ini, saintis mula mencari yang lain

Daripada buku Another History of Science. Dari Aristotle hingga Newton pengarang Kalyuzhny Dmitry Vitalievich

Jam api Selain jam suria dan air, dengan permulaan XIII berabad-abad, api atau jam lilin pertama muncul. Ini adalah lilin nipis kira-kira satu meter panjang dengan skala dicetak sepanjang keseluruhannya. Mereka menunjukkan masa dengan agak tepat, dan pada waktu malam mereka juga menerangi rumah-rumah gereja dan

Daripada buku Another History of Science. Dari Aristotle hingga Newton pengarang Kalyuzhny Dmitry Vitalievich

Jam Pasir Tarikh jam pasir pertama juga tidak diketahui. Tetapi mereka, seperti lampu minyak, muncul tidak lebih awal daripada kaca telus. Adalah dipercayai bahawa di Eropah Barat kira-kira jam pasir ditemui hanya pada akhir Zaman Pertengahan; salah satu sebutan tertua tentang

Daripada buku The Hunt for the Atomic Bomb: Fail KGB No. 13,676 pengarang Chikov Vladimir Matveevich

3. Bagaimana pengintip atom dilahirkan

Daripada buku Sakura and the Oak (koleksi) pengarang Ovchinnikov Vsevolod Vladimirovich

Jam tanpa tangan “Waris kepada masyarakat yang telah melabur terlalu banyak dalam sebuah empayar; orang yang dikelilingi oleh peninggalan usang warisan yang lebur, mereka tidak dapat membawa diri mereka, dalam saat krisis, untuk meninggalkan kenangan masa lalu dan mengubah cara hidup mereka yang ketinggalan zaman. Bye muka

Dari buku Perang Dunia II: kesilapan, kesilapan, kerugian oleh Dayton Len

20. JAM KEGELAPAN Mari kita menyanyikan lagu tentang juruterbang muda, Jika tidak kerana perang, mereka akan duduk di meja sekolah. Lagu No. 55 Skuadron RAF, yang ditulis sekitar 1918 pejuang British telah menang dalam Pertempuran Britain, tetapi pesawat pejuang menderita

Daripada buku Everyday Life of the Noble Class in the Golden Age of Catherine pengarang Eliseeva Olga Igorevna

Pada waktu pagi, Permaisuri sendiri menyalakan perapian, menyalakan lilin dan lampu, dan duduk meja dalam kajian cermin - jam pertama hari itu dikhaskan untuk latihan sastera peribadinya. Dia pernah memberitahu Gribovsky bahawa "anda tidak boleh pergi satu hari tanpa kencing."

Daripada buku Kemenangan Besar pada Timur Jauh. Ogos 1945: dari Transbaikalia ke Korea [sunting] pengarang Alexandrov Anatoly Andreevich

Bab VII American Atomic Strikes 1 April 25 ternyata amat ketara bagi kedua-dua teman bicara. Setiausaha Perang Stimson telah bersedia untuk laporan ini sejak awal bulan, tetapi kematian mengejut Presiden Roosevelt mengganggu jadual hubungan pegawai kanan.

Dari buku Russian America pengarang Burlak Vadim Niklasovich

Semasa waktu rehat, Baranov terkenal dengan keramahannya dan suka mengacarakan kenduri. Orang Rusia, orang asli dan kelasi asing mengingati perkara ini. Malah pada masa kelaparan untuk tanah jajahan, dia mendapat peluang untuk melayan tetamu jemputan dan santai. Jika dia kehabisan

Dari buku Egypt of Ramesses oleh Monte Pierre

IV. Jam Orang Mesir membahagikan tahun kepada dua belas bulan dan dengan cara yang sama membahagikan hari kepada dua belas jam dan malam kepada dua belas. Tidak mungkin mereka membahagikan jam itu kepada tempoh masa yang lebih kecil. Perkataan "pada", yang diterjemahkan sebagai "saat", tidak mempunyai spesifik

Daripada buku The World's Biggest Spies oleh Wighton Charles

BAB 12 SPIES "ATOMIC" Pada waktu subuh pada 16 Julai 1945, ketika Churchill, Truman dan Stalin berkumpul di Berlin untuk Persidangan Potsdam, yang pertama bom atom. Di atas bukit, dua puluh batu dari lokasi letupan, terletak

Dari buku Penjelajah Rusia - Kemuliaan dan Kebanggaan Rus' pengarang Glazyrin Maxim Yurievich

reaktor nuklear dan kristal elektronik Konstantin Chilovsky (b. 1881), jurutera Rusia, pencipta. Mencipta peranti untuk mengesan kapal selam, digunakan secara meluas semasa Perang Dunia Pertama (1914–1918). Dia telah dianugerahkan Perintah Perancis untuk ciptaannya.

Jam atom 27 Januari 2016

Tempat kelahiran jam poket pertama di dunia dengan piawaian masa atom terbina dalam bukanlah Switzerland atau Jepun. Idea penciptaan mereka berasal dari tengah-tengah Great Britain di jenama London Hoptroff

Jam atom, atau kerana ia juga dipanggil "jam kuantum," ialah peranti yang mengukur masa menggunakan getaran semula jadi yang dikaitkan dengan proses yang berlaku pada tahap atom atau molekul. Richard Hoptroff memutuskan bahawa sudah tiba masanya untuk tuan-tuan moden yang berminat dengan peranti ultra-teknologi menukar jam tangan poket mekanikal mereka dengan sesuatu yang lebih mewah dan tidak konvensional, dan juga selaras dengan trend bandar moden.

Oleh itu, orang ramai diperlihatkan elegan dengan cara mereka sendiri penampilan jam atom poket Hoptroff No. 10, yang boleh mengejutkan generasi moden, canggih dengan banyak alat, bukan sahaja dengan gaya retro dan ketepatan yang hebat, tetapi juga dengan hayat perkhidmatannya. Menurut pembangun, mempunyai jam tangan ini bersama anda, anda boleh kekal sebagai orang yang paling menepati masa sekurang-kurangnya 5 bilion tahun.

Apa lagi yang anda boleh ketahui menarik tentang mereka...

Foto 2.

Bagi mereka yang tidak pernah berminat dengan jam tangan sedemikian, adalah wajar untuk menerangkan secara ringkas prinsip operasinya. Tiada apa-apa di dalam "peranti atom" yang menyerupai jam tangan mekanikal klasik. Di Hoptroff no. 10 tiada bahagian mekanikal seperti itu. Sebaliknya, jam tangan poket atom dilengkapi dengan ruang tertutup yang diisi dengan gas radioaktif, yang suhunya dikawal oleh relau khas. Masa yang tepat berlaku seperti berikut: laser merangsang atom unsur kimia, yang merupakan sejenis "pengisi" jam, dan resonator merekod dan mengukur setiap peralihan atom. Hari ini elemen asas peranti yang serupa ialah cesium. Jika kita ingat sistem unit SI, maka di dalamnya nilai satu saat berkaitan dengan bilangan tempoh sinaran elektromagnet semasa peralihan atom cesium-133 dari satu tahap tenaga ke tahap tenaga yang lain.

Foto 3.

Jika dalam telefon pintar jantung peranti dianggap sebagai cip pemproses, maka dalam Hoptroff No. 10 peranan ini diambil alih oleh modul penjana masa rujukan. Ia dibekalkan oleh Symmetricom, dan cip itu sendiri pada mulanya bertujuan untuk digunakan dalam industri ketenteraan - dalam kenderaan udara tanpa pemandu.

Jam atom CSAC dilengkapi dengan termostat terkawal suhu, yang mengandungi ruang yang mengandungi wap cesium. Di bawah pengaruh laser pada atom cesium-133, peralihan mereka dari satu keadaan tenaga ke keadaan tenaga lain bermula, yang diukur menggunakan resonator gelombang mikro. Sejak tahun 1967 Sistem antarabangsa unit (SI) mentakrifkan satu saat sebagai 9,192,631,770 tempoh sinaran elektromagnet yang timbul semasa peralihan antara dua tahap hiperhalus keadaan dasar atom cesium-133. Berdasarkan ini, sukar untuk membayangkan dengan lebih tepat titik teknikal lihat jam berdasarkan cesium. Dari masa ke masa, memandangkan kemajuan terkini dalam bidang pengukuran masa, ketepatan jam optik baharu berdasarkan ion aluminium yang berdenyut pada frekuensi sinaran ultraungu (100,000 kali lebih tinggi daripada frekuensi gelombang mikro jam cesium) akan menjadi ratusan kali lebih tinggi. daripada ketepatan kronometer atom. Secara ringkasnya, Model Poket No.10 baharu Hoptroff mempunyai ralat larian 0.0015 saat setahun, iaitu 2.4 juta kali lebih baik daripada piawaian COSC.

Foto 4.

Bahagian fungsi peranti juga berada di ambang fantasi. Dengan bantuannya, anda boleh mengetahui: masa, tarikh, hari dalam seminggu, tahun, latitud dan longitud dalam kuantiti yang berbeza, tekanan, kelembapan, jam bintang dan minit, ramalan air pasang dan banyak petunjuk lain. Jam tangan itu datang dalam emas, dan cetakan 3D dirancang untuk digunakan untuk mencipta sarungnya daripada logam berharga.

Richard Hoptrof dengan ikhlas percaya bahawa pilihan khusus ini untuk menghasilkan idea beliau adalah yang paling diutamakan. Untuk mengubah sedikit komponen reka bentuk struktur, anda tidak perlu membina semula sama sekali Barisan pengeluaran, tetapi untuk menggunakan fleksibiliti fungsi peranti pencetakan 3D untuk ini. Walau bagaimanapun, perlu diperhatikan bahawa prototaip jam tangan yang ditunjukkan dibuat dengan cara klasik.

Foto 5.

Masa sangat mahal hari ini, dan Hoptroff No. 10 adalah pengesahan langsung tentang ini. Menurut maklumat awal, kumpulan pertama peranti atom ialah 12 unit, dan bagi kos, harga untuk 1 salinan ialah $78,000.

Foto 6.

Menurut Richard Hoptroff, pengarah urusan jenama itu, lokasi Hoptroff di London memainkan peranan penting dalam kemunculan idea ini. "Dalam pergerakan kuarza kami, kami menggunakan sistem ayunan berketepatan tinggi dengan isyarat GPS. Tetapi di tengah-tengah London tidak begitu mudah untuk menangkap isyarat ini. Suatu hari, semasa perjalanan ke Balai Cerap Greenwich, saya melihat jam atom Hewlett Packard di sana dan memutuskan untuk membeli sesuatu yang serupa untuk diri saya melalui Internet. Dan saya tidak boleh. Sebaliknya, saya mendapat maklumat tentang cip daripada Symmetricon, dan selepas tiga hari berfikir, saya menyedari bahawa ia sesuai untuk jam poket.”

Cip yang kita bincangkan kita bercakap tentang, ialah SA.45s Cesium Atomic Clock (CSAC), salah satu generasi pertama jam atom miniatur untuk penerima GPS, radio beg galas dan kenderaan tanpa pemandu. Walaupun dimensinya yang sederhana (40 mm x 34.75 mm), ia masih tidak mungkin dimuatkan ke dalam jam tangan. Oleh itu, Hoptroff memutuskan untuk melengkapkan mereka dengan model poket dengan dimensi yang agak dihormati (diameter 82 mm).

Selain sebagai jam tangan paling tepat di dunia, Hoptroff No 10 (pergerakan kesepuluh jenama itu) juga mendakwa sebagai bekas emas pertama yang dibuat menggunakan teknologi cetakan 3D. Hoptroff masih belum dapat menyatakan dengan pasti berapa banyak emas yang diperlukan untuk membuat kes itu (kerja pada prototaip pertama telah selesai apabila isu itu disiarkan), tetapi menganggarkan bahawa kosnya akan menjadi "sekurang-kurangnya beberapa ribu paun." Dan memandangkan jumlah penyelidikan yang dilakukan untuk membangunkan produk (mengambil fungsi mengira pasang surut menggunakan pemalar harmonik untuk 3,000 pelabuhan yang berbeza), kami boleh menjangkakan harga runcit terakhirnya sekitar £50,000.

Badan emas model No. 10 kerana ia keluar dari pencetak 3D dan dalam bentuk siap

Pembeli secara automatik menjadi ahli kelab eksklusif dan akan dikehendaki menandatangani ikrar bertulis untuk tidak menggunakan cip jam atom sebagai senjata. "Ini adalah salah satu syarat kontrak kami dengan pembekal," jelas Encik Hoptroff, "kerana cip atom pada asalnya digunakan dalam sistem bimbingan peluru berpandu." Tidak banyak yang perlu dibayar untuk peluang memiliki jam tangan dengan ketepatan yang sempurna.

Pemilik bertuah No.10 dari Hoptroff akan mempunyai lebih banyak lagi daripada sekadar jam tangan berketepatan tinggi. Model ini juga berfungsi sebagai peranti navigasi poket, membolehkan seseorang menentukan longitud dengan ketepatan satu batu nautika, walaupun selepas bertahun-tahun di laut, menggunakan sextant mudah. Model itu akan menerima dua dail, tetapi reka bentuk salah satu daripadanya masih dirahsiakan. Satu lagi ialah angin puyuh pembilang yang memaparkan sebanyak 28 komplikasi: daripada semua kemungkinan fungsi kronometrik dan penunjuk kalendar kepada kompas, termometer, higrometer (alat untuk mengukur tahap kelembapan), barometer, pembilang latitud dan longitud serta air pasang/air pasang. penunjuk. Dan ini belum lagi penunjuk penting keadaan termostat atom.

Hoptroff mempunyai rancangan untuk menghasilkan beberapa produk baharu, termasuk versi elektronik jam tangan komplikasi Pengembara Angkasa legenda George Daniels. Ia sedang diusahakan untuk menyepadukan teknologi Bluetooth ke dalam jam tangan untuk menyimpan maklumat peribadi pemakai dan membolehkan pelarasan automatik komplikasi seperti penunjuk fasa bulan.

Salinan pertama No.10 akan muncul tahun depan, tetapi sementara itu syarikat sedang mencari rakan kongsi yang sesuai di kalangan peruncit. “Kami boleh, sudah tentu, cuba menjualnya dalam talian, tetapi ini adalah model premium, jadi anda masih perlu memegangnya di tangan anda untuk benar-benar menghargainya. Ini bermakna kami masih perlu menggunakan perkhidmatan peruncit, dan kami bersedia untuk memulakan rundingan,” kata Encik Hoptroff sebagai kesimpulan.

Dan walaupun Artikel asal ada di laman web InfoGlaz.rf Pautan ke artikel dari mana salinan ini dibuat -

Masa, walaupun pada hakikatnya saintis masih tidak dapat membongkar intipati sebenar, masih mempunyai unit pengukurannya sendiri yang ditetapkan oleh manusia. Dan peranti pengiraan yang dipanggil jam. Apakah jenis mereka, apakah jam tangan yang paling tepat di dunia? Ini akan dibincangkan dalam bahan kami hari ini.

Apakah jam tangan yang paling tepat di dunia?

Mereka dianggap sebagai atom - mereka mempunyai ralat minit yang boleh mencapai hanya saat setiap bilion tahun. Podium ke-2, tidak kurang terhormat, dimenangi. Mereka ketinggalan selama sebulan atau tergesa-gesa ke hadapan hanya 10-15 saat. Tetapi jam tangan mekanikal bukanlah yang paling tepat di dunia. Ia perlu dimulakan dan dimulakan sepanjang masa, dan di sini ralat adalah susunan yang sama sekali berbeza.

Jam atom paling tepat di dunia

Seperti yang telah dikatakan, instrumen atom untuk pengukuran masa secara kualitatif sangat teliti sehingga ralat yang mereka berikan boleh dibandingkan dengan pengukuran diameter planet kita hingga ke setiap mikrozarah. Tidak dinafikan, orang biasa dalam kehidupan seharian tidak memerlukan mekanisme yang tepat sama sekali. Ini digunakan oleh penyelidik saintifik untuk menjalankan pelbagai eksperimen di mana pengiraan yang melampau diperlukan. Mereka memberi peluang kepada orang ramai untuk menyemak "kemajuan masa" dalam pelbagai bidang glob atau menjalankan eksperimen yang mengesahkan teori relativiti am, serta teori dan hipotesis fizikal lain.

standard Paris

Apakah jam tangan yang paling tepat di dunia? Secara umum diterima bahawa mereka adalah orang Paris, milik Institut Masa. Peranti ini adalah apa yang dipanggil standard masa; orang di seluruh dunia menyemaknya terhadapnya. Sebenarnya, ia tidak serupa dengan "pejalan kaki" dalam erti kata tradisional, tetapi menyerupai peranti yang sangat tepat dari reka bentuk yang paling kompleks, yang berdasarkan prinsip kuantum, dan idea utama- pengiraan ruang-masa menggunakan getaran zarah dengan ralat sama dengan hanya 1 saat setiap 1000 tahun.

Lebih tepat lagi

Apakah jam tangan yang paling tepat di dunia hari ini? Dalam realiti semasa, saintis telah mencipta peranti yang 100 ribu kali lebih tepat daripada piawaian Paris. Kesilapannya adalah satu saat dalam 3.7 bilion tahun! Sekumpulan ahli fizik dari Amerika Syarikat bertanggungjawab untuk pembangunan teknologi ini. Ia sudah menjadi versi kedua peranti masa yang dibina di atas logik kuantum, di mana pemprosesan maklumat dijalankan menggunakan kaedah yang serupa dengan, sebagai contoh,

Bantuan penyelidikan

Peranti kuantum terkini bukan sahaja menetapkan piawaian baharu dalam pengukuran kuantiti sedemikian mengikut masa, tetapi juga membantu penyelidik di banyak negara menyelesaikan beberapa soalan yang dikaitkan dengan pemalar fizikal seperti kelajuan pancaran cahaya dalam vakum atau pemalar Planck. Ketepatan pengukuran yang semakin meningkat bermanfaat untuk saintis, yang berharap dapat menjejaki pelebaran masa yang disebabkan oleh graviti. Dan sebuah syarikat teknologi di Amerika Syarikat merancang untuk melancarkan jam tangan kuantum yang dihasilkan secara besar-besaran untuk kegunaan harian. Benar, berapa tinggi kos utama mereka?

Prinsip operasi

Jam atom juga biasa dipanggil jam kuantum, kerana ia beroperasi berdasarkan proses yang berlaku pada peringkat molekul. Untuk mencipta peranti berketepatan tinggi, bukan sebarang atom diambil: biasanya penggunaan kalsium dan iodin, sesium dan rubidium, dan juga molekul hidrogen adalah tipikal. Pada masa ini, mekanisme yang paling tepat untuk mengira masa berdasarkan ittiberium telah dihasilkan oleh Amerika. Lebih 10 ribu atom terlibat dalam operasi peralatan, yang memastikan ketepatan yang sangat baik. Ngomong-ngomong, pemegang rekod sebelumnya mempunyai ralat sesaat daripada "hanya" 100 juta, yang, anda lihat, juga merupakan tempoh yang agak lama.

Kuarza ketepatan...

Apabila memilih "pejalan kaki" isi rumah untuk kegunaan harian, sudah tentu, peranti nuklear tidak boleh diambil kira. Antara jam tangan rumah hari ini, jam tangan yang paling tepat di dunia ialah jam tangan kuarza, yang juga mempunyai beberapa kelebihan berbanding jam tangan mekanikal: jam tangan ini tidak memerlukan penggulungan dan berfungsi menggunakan kristal. Ralat larian mereka purata 15 saat sebulan (yang mekanikal biasanya boleh ketinggalan dengan jumlah masa ini setiap hari). Dan jam tangan kuarza yang paling tepat di dunia, menurut ramai pakar, ialah syarikat Citizen - "Chronomaster". Mereka boleh mempunyai ralat hanya 5 saat setahun. Dari segi kos, mereka agak mahal - sekitar 4 ribu euro. Pada langkah kedua podium Longines khayalan (10 saat setahun). Mereka sudah jauh lebih murah - kira-kira 1000 euro.

... dan mekanikal

Kebanyakan instrumen mekanikal, sebagai peraturan, tidak begitu tepat. Walau bagaimanapun, salah satu peranti masih boleh bermegah. Jam tangan, dibuat pada abad ke-20, mempunyai mekanisme besar 14 ribu elemen. Terima kasih kepada reka bentuk yang kompleks, serta kefungsian ralat pengukurannya yang agak perlahan - satu saat untuk setiap 600 tahun.

Jam atom adalah alat pengukur masa paling tepat yang wujud hari ini dan semakin meningkat nilai yang lebih tinggi dengan pembangunan dan kerumitan teknologi moden.

Prinsip operasi

Jam atom Masa yang tepat dikira tanpa ucapan terima kasih pereputan radioaktif, seperti yang mungkin dicadangkan oleh nama mereka, tetapi menggunakan getaran nukleus dan elektron di sekelilingnya. Kekerapan mereka ditentukan oleh jisim nukleus, graviti dan "pengimbang" elektrostatik antara nukleus dan elektron bercas positif. Ini tidak sepadan dengan pergerakan jam tangan biasa. Jam atom adalah penjaga masa yang lebih dipercayai kerana ayunannya tidak berubah bergantung pada faktor persekitaran seperti kelembapan, suhu atau tekanan.

Evolusi jam atom

Selama bertahun-tahun, saintis telah menyedari bahawa atom mempunyai frekuensi resonans yang berkaitan dengan keupayaan masing-masing untuk menyerap dan memancarkan sinaran elektromagnet. Pada tahun 1930-an dan 1940-an, peralatan komunikasi dan radar frekuensi tinggi telah dibangunkan yang boleh bersambung dengan frekuensi resonans atom dan molekul. Ini menyumbang kepada idea jam tangan.

Contoh pertama dibina pada tahun 1949 oleh Institut Piawaian dan Teknologi Kebangsaan (NIST). Ammonia digunakan sebagai sumber getaran. Walau bagaimanapun, mereka tidak jauh lebih tepat daripada piawaian masa sedia ada, dan cesium digunakan pada generasi seterusnya.

Standard baru

Perubahan dalam ketepatan ukuran masa adalah begitu hebat sehingga pada tahun 1967 Persidangan Agung mengenai Timbang dan Sukat mentakrifkan detik SI sebagai 9,192,631,770 getaran atom cesium pada frekuensi resonansnya. Ini bermakna masa tidak lagi berkaitan dengan pergerakan Bumi. Jam atom paling stabil di dunia telah dicipta pada tahun 1968 dan digunakan sebagai sebahagian daripada sistem jaga masa NIST sehingga tahun 1990-an.

kereta penambahbaikan

Salah satu kemajuan terkini dalam bidang ini ialah penyejukan laser. Ini meningkatkan nisbah isyarat kepada hingar dan mengurangkan ketidakpastian dalam isyarat jam. Menempatkan sistem penyejukan ini dan peralatan lain yang digunakan untuk menambah baik jam cesium memerlukan ruang sebesar kereta api, walaupun pilihan komersial boleh muat dalam beg pakaian. Salah satu pemasangan makmal ini mengekalkan masa di Boulder, Colorado, dan merupakan jam paling tepat di Bumi. Mereka hanya salah sebanyak 2 nanosaat setiap hari, atau 1 saat setiap 1.4 juta tahun.

Teknologi yang kompleks

Ketepatan yang besar ini adalah hasil daripada kompleks proses teknologi. Pertama, cesium cecair diletakkan di dalam relau dan dipanaskan sehingga ia bertukar menjadi gas. Atom logam keluar pada kelajuan tinggi melalui bukaan kecil dalam relau. Elektromagnet menyebabkan mereka berpecah kepada rasuk berasingan dengan tenaga yang berbeza. Rasuk yang diperlukan melalui lubang berbentuk U, dan atom disinari dengan tenaga gelombang mikro dengan frekuensi 9,192,631,770 Hz. Terima kasih kepada ini, mereka teruja dan beralih ke keadaan tenaga yang berbeza. Medan magnet kemudian menapis keadaan tenaga lain bagi atom.

Pengesan bertindak balas kepada cesium dan menunjukkan maksimum pada nilai frekuensi yang betul. Ini adalah perlu untuk mengkonfigurasi pengayun kuarza yang mengawal mekanisme jam. Membahagikan kekerapannya dengan 9.192.631.770 memberikan satu nadi sesaat.

Bukan sesium sahaja

Walaupun jam atom yang paling biasa menggunakan sifat cesium, terdapat jenis lain. Mereka berbeza dalam unsur yang digunakan dan cara untuk menentukan perubahan dalam tahap tenaga. Bahan lain ialah hidrogen dan rubidium. Jam atom hidrogen berfungsi sama seperti jam cesium, tetapi memerlukan bekas dengan dinding yang diperbuat daripada bahan khas yang menghalang atom daripada kehilangan tenaga terlalu cepat. Jam tangan rubidium adalah yang paling ringkas dan paling padat. Di dalamnya, sel kaca yang diisi dengan gas rubidium mengubah penyerapan cahaya apabila terdedah kepada frekuensi ultratinggi.

Siapa yang memerlukan masa yang tepat?

Hari ini, masa boleh diukur dengan ketepatan yang melampau, tetapi mengapa ini penting? Ini perlu dalam sistem seperti telefon bimbit, Internet, GPS, program penerbangan dan televisyen digital. Pada pandangan pertama ini tidak jelas.

Contoh bagaimana masa yang tepat digunakan adalah dalam penyegerakan paket. Melalui garis tengah beribu-ribu panggilan telefon dibuat. Ini hanya mungkin kerana perbualan tidak dihantar sepenuhnya. Syarikat telekomunikasi membahagikannya kepada paket kecil dan juga melangkau beberapa maklumat. Mereka kemudian melalui baris itu bersama-sama dengan paket perbualan lain dan dipulihkan di hujung yang lain tanpa bercampur. Sistem jam pertukaran telefon boleh menentukan paket mana yang tergolong dalam perbualan tertentu dengan masa yang tepat maklumat itu dihantar.

GPS

Satu lagi pelaksanaan masa yang tepat ialah sistem kedudukan global. Ia terdiri daripada 24 satelit yang menghantar koordinat dan masa mereka. Mana-mana penerima GPS boleh menyambung kepada mereka dan membandingkan masa siaran. Perbezaannya membolehkan pengguna menentukan lokasi mereka. Jika jam ini tidak begitu tepat, maka sistem GPS akan menjadi tidak praktikal dan tidak boleh dipercayai.

Had kesempurnaan

Dengan perkembangan teknologi dan jam atom, ketidaktepatan Alam Semesta menjadi ketara. Bumi bergerak tidak sekata, menyebabkan variasi rawak dalam tempoh tahun dan hari. Pada masa lalu, perubahan ini tidak dapat disedari kerana alat untuk mengukur masa terlalu tidak tepat. Walau bagaimanapun, banyak kekecewaan penyelidik dan saintis, masa jam atom perlu diselaraskan untuk mengimbangi anomali dunia sebenar. Ia adalah alat yang menakjubkan yang membantu memajukan teknologi moden, tetapi kecemerlangannya dihadkan oleh had yang ditetapkan oleh alam semula jadi itu sendiri.

    Pertama, manusia menggunakan jam sebagai alat kawalan masa program.

    Kedua, hari ini pengukuran masa adalah jenis ukuran yang paling tepat: ketepatan pengukuran masa kini ditentukan oleh ralat yang luar biasa dari susunan 1·10-11%, atau 1 s dalam 300 ribu tahun.

    Dan kami mencapai ketepatan sedemikian orang moden apabila mereka mula menggunakan atom, yang, hasil daripada ayunannya, adalah pengatur jam atom. Atom sesium berada dalam dua keadaan tenaga yang kita perlukan (+) dan (-). Radiasi elektromagnetik dengan kekerapan 9,192,631,770 hertz terbentuk apabila atom bergerak dari keadaan (+) ke (-), mewujudkan proses berkala yang tepat dan berterusan - pengawal selia kod jam atom.

    Agar jam atom berfungsi dengan tepat, cesium mesti disejat dalam relau, satu proses yang membebaskan atomnya. Di belakang ketuhar terdapat magnet pengisihan yang mempunyai daya pengeluaran atom dalam keadaan (+), dan di dalamnya, disebabkan oleh penyinaran dalam medan gelombang mikro, atom-atom masuk ke dalam keadaan (-). Magnet kedua mengarahkan atom yang telah menukar keadaan (+) kepada (-) ke dalam peranti penerima. Banyak atom yang telah berubah keadaannya diperoleh hanya jika frekuensi pemancar gelombang mikro betul-betul bertepatan dengan frekuensi getaran sesium 9,192,631,770 hertz. Jika tidak, bilangan atom (-) dalam peranti penerima berkurangan.

    Peranti sentiasa memantau dan mengawal frekuensi malar 9,192,631,770 hertz. Ini bermakna impian pereka jam tangan telah menjadi kenyataan, proses berkala yang benar-benar berterusan telah ditemui: frekuensi 9,192,631,770 hertz, yang mengawal perjalanan jam atom.

    Hari ini, hasil daripada perjanjian antarabangsa, satu saat ditakrifkan sebagai tempoh sinaran didarabkan dengan 9,192,631,770, sepadan dengan peralihan antara dua hyperfine. peringkat struktur keadaan dasar atom cesium (isotop cesium-133).

    Untuk mengukur masa yang tepat, anda juga boleh menggunakan getaran atom dan molekul lain, seperti atom kalsium, rubidium, cesium, strontium, molekul hidrogen, iodin, metana, dll. Walau bagaimanapun, sinaran atom cesium diiktiraf sebagai frekuensi standard. Untuk membandingkan getaran atom yang berbeza dengan piawai (cesium), laser titanium-sapphire dicipta yang menjana julat yang luas frekuensi dalam julat dari 400 hingga 1000 nm.

    Pencipta pertama jam kuarza dan atom adalah seorang ahli fizik eksperimen Inggeris Essen Lewis (1908-1997). Pada tahun 1955, beliau mencipta piawai frekuensi (masa) atom pertama menggunakan pancaran atom cesium. Hasil daripada kerja ini, 3 tahun kemudian (1958) perkhidmatan masa berdasarkan piawaian frekuensi atom timbul.

    Di USSR, Akademik Nikolai Gennadievich Basov mengemukakan ideanya untuk mencipta jam atom.

    Jadi, jam atom, Salah satu jenis jam yang tepat ialah alat untuk mengukur masa, di mana getaran semula jadi atom atau molekul digunakan sebagai bandul. Kestabilan jam atom adalah yang terbaik di antara semua jenis sedia ada jam tangan, yang merupakan kunci kepada ketepatan tertinggi. Penjana jam atom menghasilkan lebih daripada 32,768 denyutan sesaat, tidak seperti jam konvensional. Getaran atom tidak bergantung pada suhu udara, getaran, kelembapan dan banyak faktor luaran yang lain.

    DALAM dunia moden, apabila navigasi adalah mustahil, jam atom telah menjadi pembantu yang sangat diperlukan. Mereka dapat menentukan lokasi kapal angkasa, satelit, peluru berpandu balistik, pesawat, kapal selam, kereta secara automatik melalui komunikasi satelit.

    Oleh itu, selama 50 tahun yang lalu, jam atom, atau lebih tepatnya jam cesium, telah dianggap paling tepat. Mereka telah lama digunakan oleh perkhidmatan masa, dan isyarat masa juga disiarkan oleh beberapa stesen radio.

    Peranti jam atom mengandungi 3 bahagian:

    diskriminasi kuantum,

    pengayun kuarza,

    kompleks elektronik.

    Pengayun kuarza menjana frekuensi (5 atau 10 MHz). Pengayun ialah penjana radio RC, yang menggunakan mod piezoelektrik kristal kuarza sebagai unsur resonan, di mana atom yang telah berubah keadaan (+) kepada (-) dibandingkan. Untuk meningkatkan kestabilan, frekuensinya sentiasa dibandingkan dengan ayunan diskriminator kuantum (atom atau molekul) . Apabila perbezaan dalam ayunan muncul, elektronik melaraskan frekuensi pengayun kuarza kepada tahap sifar, dengan itu meningkatkan kestabilan dan ketepatan jam tangan ke tahap yang diingini.

    Dalam dunia moden, jam atom boleh dihasilkan di mana-mana negara di dunia untuk digunakan Kehidupan seharian. Saiznya sangat kecil dan cantik. Jam atom terkini tidak lebih besar daripada kotak mancis dan mempunyai penggunaan kuasa yang rendah iaitu kurang daripada 1 watt. Dan ini bukan had, mungkin pada masa hadapan kemajuan teknologi akan mencapai telefon bimbit. Sementara itu, jam atom padat dipasang hanya pada peluru berpandu strategik untuk meningkatkan ketepatan navigasi berkali-kali ganda.

    Hari ini, jam tangan atom lelaki dan wanita untuk setiap citarasa dan bajet boleh dibeli di kedai dalam talian.

    Pada tahun 2011, jam atom terkecil di dunia telah dicipta oleh pakar dari Symmetricom dan Sandia National Laboratories. Jam tangan ini 100 kali lebih padat daripada versi yang tersedia secara komersial sebelumnya. Saiz kronometer atom tidak lebih besar daripada kotak mancis. Untuk beroperasi, ia hanya memerlukan 100 mW kuasa - ini adalah 100 kali ganda kurang berbanding pendahulunya.

    Adalah mungkin untuk mengurangkan saiz jam tangan dengan memasang bukannya spring dan gear mekanisme yang beroperasi pada prinsip menentukan frekuensi gelombang elektromagnet yang dipancarkan oleh atom cesium di bawah pengaruh pancaran laser kuasa yang boleh diabaikan.

    Jam sedemikian digunakan dalam navigasi, serta dalam kerja pelombong, penyelam, di mana perlu untuk menyegerakkan masa dengan tepat dengan rakan sekerja di permukaan, serta perkhidmatan masa yang tepat, kerana ralat jam atom kurang daripada 0.000001 pecahan sesaat setiap hari. Kos rekod jam atom kecil Symmetricom ialah kira-kira $1,500.