لماذا الساعات الذرية هي الأكثر دقة؟ الساعة الذرية: جهاز لقياس وقت القمر الصناعي وأنظمة الملاحة.

في الماضي ، 2012 ، مرت خمسة وأربعون عامًا منذ اللحظة التي قررت فيها البشرية استخدام ضبط الوقت الذري لقياس الوقت بأكبر قدر ممكن من الدقة. في عام 1967 ، لم يعد يتم تحديد فئة الوقت الدولية بالمقاييس الفلكية - تم استبدالها بمعيار تردد السيزيوم. كان هو الذي حصل على الاسم الشائع الآن - الساعة الذرية. الوقت الدقيق الذي يسمحون به لتحديده به خطأ ضئيل قدره ثانية واحدة في ثلاثة ملايين سنة ، مما يسمح باستخدامهم كمعيار زمني في أي مكان في العالم.

القليل من التاريخ

تم اقتراح فكرة استخدام اهتزازات الذرات لقياس الوقت بدقة فائقة لأول مرة في عام 1879 من قبل الفيزيائي البريطاني ويليام طومسون. في دور باعث رنانات الذرات ، اقترح هذا العالم استخدام الهيدروجين. كانت المحاولات الأولى لوضع الفكرة موضع التنفيذ في الأربعينيات فقط. القرن العشرين. وظهرت أول ساعة ذرية عاملة في العالم عام 1955 في بريطانيا العظمى. تم إنشاؤها بواسطة الفيزيائي التجريبي البريطاني الدكتور لويس إيسن. عملت هذه الساعة على أساس اهتزازات ذرات السيزيوم -133 وبفضلها تمكن العلماء أخيرًا من قياس الوقت بدقة أكبر بكثير مما كانت عليه من قبل. سمحت أداة إيسن الأولى بحدوث خطأ لا يزيد عن ثانية لكل مائة عام ، لكنه زاد بعد ذلك عدة مرات ويمكن أن يستمر الخطأ في الثانية أكثر من 2-3 مائة مليون سنة.

الساعة الذرية: كيف تعمل

كيف يعمل هذا "الجهاز" الذكي؟ تستخدم الساعات الذرية الجزيئات أو الذرات على مستوى الكم كمولد تردد رنيني. يؤسس اتصالاً بين نظام "النواة الذرية - الإلكترونات" مع عدة مستويات طاقة منفصلة. إذا تأثر هذا النظام بتردد محدد بدقة ، فسينتقل هذا النظام من مستوى منخفض إلى مستوى مرتفع. العملية العكسية ممكنة أيضًا: انتقال الذرة من مستوى أعلى إلى مستوى أدنى ، مصحوبًا بانبعاث الطاقة. يمكن التحكم في هذه الظواهر وتسجيلها جميع قفزات الطاقة ، مما يخلق شيئًا مثل دائرة متذبذبة (تسمى أيضًا المذبذب الذري). سوف يتوافق تردد الرنين الخاص بها مع فرق الطاقة بين المستويات المجاورة لانتقال الذرات ، مقسومًا على ثابت بلانك.

تتمتع هذه الدائرة التذبذبية بمزايا لا يمكن إنكارها مقارنة بسابقاتها الميكانيكية والفلكية. بالنسبة لأحد هذه المذبذبات الذرية ، سيكون تردد الرنين لذرات أي مادة هو نفسه ، وهو ما لا يمكن قوله عن البندولات وبلورات بيزو. بالإضافة إلى ذلك ، لا تغير الذرات خصائصها بمرور الوقت ولا تبلى. لذلك ، فإن الساعات الذرية دقيقة للغاية وتقريباً كرونومتر دائم.

الوقت الدقيق والتكنولوجيا الحديثة

شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية ، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية ، ونظام تحديد المواقع العالمي ، وخوادم NTP ، والمعاملات الإلكترونية في البورصة ، والمزادات عبر الإنترنت ، وإجراءات شراء التذاكر عبر الإنترنت - كل هذه الظواهر والعديد من الظواهر الأخرى راسخة بقوة في حياتنا منذ فترة طويلة. لكن إذا لم تخترع البشرية الساعة الذرية ، لما حدث كل هذا ببساطة. الوقت المحدد ، المزامنة التي تسمح بتقليل أي أخطاء وتأخيرات وتأخيرات ، تمكن الشخص من تحقيق أقصى استفادة من هذا المورد الذي لا يقدر بثمن ، والذي لا يعد كثيرًا.

ساعة ذرية

إذا قمنا بتقييم دقة ساعات الكوارتز من وجهة نظر ثباتها على المدى القصير ، فيجب القول إن هذه الدقة أعلى بكثير من تلك الخاصة بساعات البندول ، والتي ، مع ذلك ، خلال القياسات طويلة المدى تظهر ثباتًا أعلى للحركة. في ساعات الكوارتز ، تحدث المخالفات بسبب التغيرات في البنية الداخلية للكوارتز وعدم استقرار الأنظمة الإلكترونية.

المصدر الرئيسي لاضطراب استقرار التردد هو شيخوخة بلورة الكوارتز التي تزامن تردد المذبذب. صحيح أن القياسات أظهرت أن شيخوخة البلورة ، مصحوبة بزيادة في التردد ، تتم دون تقلبات كبيرة وتغيرات مفاجئة. على الرغم من. يؤدي هذا التقادم إلى تعطيل التشغيل الصحيح لساعة الكوارتز ويفرض الحاجة إلى المراقبة المنتظمة بواسطة جهاز آخر مزود بمذبذب له استجابة تردد ثابتة وغير متغيرة.

فتح التطور السريع للتحليل الطيفي بالموجات الدقيقة بعد الحرب العالمية الثانية إمكانيات جديدة لقياس الوقت بدقة عن طريق الترددات المقابلة لخطوط طيفية مناسبة. أدت هذه الترددات ، التي يمكن اعتبارها معايير تردد ، إلى فكرة استخدام مولد كمي كمعيار زمني.

كان هذا القرار منعطفًا تاريخيًا في تاريخ قياس الوقت ، حيث كان يعني استبدال الوحدة الفلكية الموجودة سابقًا بوحدة زمنية كمومية جديدة. تم تقديم هذه الوحدة الزمنية الجديدة كفترة إشعاع للتحولات المحددة بدقة بين مستويات الطاقة لجزيئات بعض المواد المختارة خصيصًا. بعد دراسات مكثفة لهذه المشكلة في سنوات ما بعد الحرب الأولى ، كان من الممكن بناء جهاز يعمل على مبدأ الامتصاص المتحكم فيه لطاقة الميكروويف في الأمونيا السائلة عند ضغوط منخفضة للغاية. ومع ذلك ، فإن التجارب الأولى مع جهاز مجهز بعنصر امتصاص لم تعط النتائج المتوقعة ، لأن توسيع خط الامتصاص الناجم عن الاصطدامات المتبادلة للجزيئات جعل من الصعب تحديد وتيرة الانتقال الكمي نفسه. فقط من خلال طريقة شعاع ضيق من جزيئات الأمونيا الطائرة بحرية في الاتحاد السوفياتي A.M. بروخوروف ون. باسوف ، وفي الولايات المتحدة الأمريكية ، تمكنت تاونز من جامعة كولومبيا من تقليل احتمالية الاصطدام المتبادل للجزيئات بشكل كبير والقضاء عمليًا على توسيع الخط الطيفي. في ظل هذه الظروف ، يمكن أن تلعب جزيئات الأمونيا بالفعل دور المولد الذري. يمر شعاع ضيق من الجزيئات ، من خلال فوهة إلى فراغ فراغ ، عبر مجال إلكتروستاتيكي غير متجانس ، حيث يتم فصل الجزيئات. تم إرسال الجزيئات ذات الحالة الكمومية الأعلى إلى مرنان مضبوط ، حيث تُصدر طاقة كهرومغناطيسية بتردد ثابت يبلغ 23870128825 هرتز. ثم تتم مقارنة هذا التردد مع تردد مذبذب الكوارتز في دائرة الساعة الذرية. تم استخدام هذا المبدأ لبناء أول مولد كمي - مازر الأمونيا (تضخيم الميكروويف عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع).

ن. باسوف ، أ. حصل Prokhorov and Townes على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1964 عن هذا العمل.

كما درس العلماء من سويسرا واليابان وألمانيا وبريطانيا العظمى وفرنسا ، وأخيراً وليس آخراً ، تشيكوسلوفاكيا استقرار تردد الأمونيا. في الفترة 1968-1979. في معهد الهندسة الراديوية والإلكترونيات التابع لأكاديمية العلوم التشيكوسلوفاكية ، تم بناء العديد من أجهزة تسخين الأمونيا وبدء التشغيل التجريبي ، والتي كانت بمثابة معايير تردد لتخزين الوقت الدقيق في الساعات الذرية المصنوعة في تشيكوسلوفاكيا. لقد حققوا استقرارًا في التردد بترتيب 10-10 ، وهو ما يتوافق مع التغيرات اليومية في غضون 20 جزءًا من مليون من الثانية.

حاليًا ، تُستخدم معايير التردد الذري والوقت بشكل أساسي لغرضين رئيسيين - لقياس الوقت ومعايرة معايير التردد الأساسية والتحكم فيها. في كلتا الحالتين ، تتم مقارنة تردد مولد ساعة الكوارتز بتردد المعيار الذري.

عند قياس الوقت ، تتم مقارنة تردد المعيار الذري وتواتر مولد الساعة البلورية بانتظام ، وتُستخدم الانحرافات المكتشفة لتحديد الاستيفاء الخطي ومتوسط \u200b\u200bالتصحيح الزمني. ثم يتم الحصول على الوقت الحقيقي من مجموع قراءات ساعة الكوارتز وتصحيح متوسط \u200b\u200bالوقت هذا. في هذه الحالة ، يتم تحديد الخطأ الناتج عن الاستيفاء من خلال طبيعة تقادم بلورة ساعة الكوارتز.

كانت النتائج الاستثنائية التي تحققت بمعايير الوقت الذري ، مع خطأ قدره ثانية واحدة فقط في ألف سنة كاملة ، هي السبب في أن المؤتمر العام الثالث عشر للأوزان والمقاييس ، الذي عقد في باريس في أكتوبر 1967 ، أعاد تعريف الوحدة الزمنية - الذري الثانية ، والتي تم تعريفها الآن على أنها 9192 631770 ذبذبة لإشعاع ذرة السيزيوم 133.

كما أشرنا أعلاه ، مع تقادم بلورة الكوارتز ، يزداد تواتر اهتزازات مذبذب الكوارتز تدريجياً ويزداد الفرق بين ترددات الكوارتز والمذبذبات الذرية باستمرار. إذا كان منحنى التقادم البلوري صحيحًا ، فيكفي تصحيح اهتزازات الكوارتز بشكل دوري فقط ، على الأقل على فترات تمتد لعدة أيام. وبالتالي ، قد لا يكون المذبذب الذري متصلًا بشكل دائم بنظام ساعة الكوارتز ، وهو أمر مفيد للغاية ، نظرًا لأن تغلغل التأثيرات المتداخلة في نظام القياس محدود.

حققت الساعة الذرية السويسرية المزودة بمذبذبين جزيئيين من الأمونيا ، والتي تم عرضها في المعرض العالمي ببروكسل عام 1958 ، دقة تصل إلى مائة ألف من الثانية في اليوم ، وهي تتجاوز دقة ساعة البندول الدقيقة بنحو ألف مرة. هذه الدقة تجعل من الممكن بالفعل دراسة عدم الاستقرار الدوري لسرعة دوران محور الأرض. الرسم البياني في الشكل. 39 ، وهو ، كما كان ، صورة للتطور التاريخي لأدوات الكرونومتر وتحسين طرق قياس الوقت ، يوضح كيف زادت دقة قياس الوقت بشكل عجائبي تقريبًا على مدى عدة قرون. في آخر 300 عام فقط ، زادت هذه الدقة أكثر من 100000 مرة.

شكل: 39. دقة أجهزة الكرونومتر خلال الفترة من 1930 إلى 1950

كان الكيميائي روبرت فيلهلم بنسن (1811-1899) أول من اكتشف السيزيوم ، الذي تستطيع ذراته ، في ظل ظروف مختارة بشكل صحيح ، امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي بتردد يبلغ حوالي 9192 ميغاهيرتز. تم استخدام هذه الخاصية من قبل Sherwood و McCracken لإنشاء أول مرنان شعاع السيزيوم. سرعان ما تبع الاستخدام العملي لمرنان السيزيوم لقياس الترددات والوقت من قبل L. Essen ، الذي يعمل في مختبر الفيزياء الوطني في إنجلترا. بالتعاون مع المجموعة الفلكية "المرصد البحري للولايات المتحدة" ، كان بالفعل في 1955-1958. حدد تواتر الانتقال الكمي للسيزيوم عند 9192 631770 هرتز وربطه بالتعريف الحالي للثاني التقويمي ، والذي أدى بعد ذلك بكثير ، كما هو موضح أعلاه ، إلى إنشاء تعريف جديد للوحدة الزمنية. تم تصميم رنانات السيزيوم التالية في المجلس القومي للبحوث بكندا في أوتاوا ، في مختبر Swiss de Rechers Horlojeres في نوشاتيل ، إلخ. تم طرح أول نوع تجاري من الساعات الذرية الصناعية في السوق في عام 1956 تحت اسم Atomichron من قبل الأمريكية الشركة الوطنية Walden "في ماساتشوستس.

يشير تعقيد الساعات الذرية إلى أن استخدام المذبذبات الذرية ممكن فقط في مجال القياس المختبري للوقت ، والذي يتم إجراؤه بمساعدة أجهزة القياس الكبيرة. في الواقع ، كان هذا هو الحال حتى وقت قريب. ومع ذلك ، فقد تغلغل التصغير في هذه المنطقة أيضًا. اقترحت الشركة اليابانية المعروفة "Seiko-Hattori" ، التي تنتج كرونوغرافات معقدة مع مذبذبات كريستالية ، أول ساعة يد ذرية ، تم تصنيعها مرة أخرى بالتعاون مع شركة "McDonnell Douglas Astronautics Company" الأمريكية. كما تنتج هذه الشركة خلية وقود مصغرة ، وهي مصدر الطاقة للساعات المذكورة. الطاقة الكهربائية في هذا العنصر هي 13؟ 6.4 ملم ينتج بروميثيوم -147 النظائر المشعة ؛ عمر خدمة هذا العنصر خمس سنوات. توفر علبة الساعة المصنوعة من التنتالوم والفولاذ المقاوم للصدأ حماية كافية ضد أشعة بيتا المنبعثة في البيئة.

القياسات الفلكية ودراسة حركة الكواكب في الفضاء والعديد من دراسات علم الفلك الراديوي لم تكتمل الآن بدون معرفة الوقت المحدد. الدقة المطلوبة من ساعة الكوارتز أو الساعة الذرية في مثل هذه الحالات تكون في حدود جزء من المليون من الثانية. مع الدقة المتزايدة لمعلومات الوقت المقدمة ، كانت مشاكل مزامنة الساعة تتزايد. تبين أن الطريقة التي كانت مرضية تمامًا لإشارات الوقت الراديوية على الموجات القصيرة والطويلة غير دقيقة بشكل كافٍ لمزامنة جهازي كرونومتر يقعان بالقرب من بعضهما البعض بدقة تزيد عن 0.001 ثانية ، والآن هذه الدرجة من الدقة غير مرضية بالفعل.

أحد الحلول الممكنة - نقل الساعات المساعدة إلى مكان القياسات المقارنة - تم توفيره عن طريق تصغير العناصر الإلكترونية. في أوائل الستينيات ، تم بناء ساعات الكوارتز والساعات الذرية الخاصة التي يمكن نقلها بالطائرات. يمكن نقلهم بين المختبرات الفلكية ، وفي نفس الوقت قدموا معلومات عن الوقت بدقة تصل إلى جزء من المليون من الثانية. لذلك ، على سبيل المثال ، في عام 1967 ، كان النقل العابر للقارات لساعات السيزيوم المصغرة من صنع شركة "Hewlett-Packard" الكاليفورنية بدقة 0.1 ميكرو ثانية (0.0000001 ثانية).

يمكن أيضًا استخدام أقمار الاتصالات لإجراء مقارنات زمنية بالميكرو ثانية. في عام 1962 ، استخدمت بريطانيا العظمى والولايات المتحدة الأمريكية هذه الطريقة عن طريق إرسال إشارة الوقت عبر القمر الصناعي Telestar. ومع ذلك ، فإن نقل الإشارات باستخدام تكنولوجيا التلفزيون قد أسفر عن نتائج أكثر ملاءمة بتكلفة أقل.

تم تطوير وتطوير طريقة إرسال الوقت والتردد الدقيقين باستخدام نبضات التلفزيون المتزامنة في المؤسسات العلمية التشيكوسلوفاكية. تعد مزامنة نبضات الفيديو ، التي لا تؤدي بأي حال من الأحوال إلى تعطيل إرسال برنامج تلفزيوني ، بمثابة ناقل مساعد للمعلومات حول الوقت. في هذه الحالة ، ليست هناك حاجة لإدخال أي نبضات إضافية في إشارة الصورة التلفزيونية.

شرط استخدام هذه الطريقة هو القدرة على استقبال نفس البرنامج التلفزيوني في مواقع الساعات المقارنة. يتم ضبط الساعات المقارنة مبدئيًا بدقة تصل إلى عدة أجزاء من الثانية ، ويجب بعد ذلك إجراء القياس في جميع محطات القياس في وقت واحد. بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري معرفة الفارق الزمني المطلوب لإرسال نبضات التزامن من مصدر مشترك ، وهو جهاز مزامنة التلفزيون ، إلى أجهزة الاستقبال في موقع الساعة المقارنة.