Kwa nini saa za atomiki ni sahihi zaidi? Saa ya atomiki: kifaa cha kupimia wakati wa mifumo ya setilaiti na urambazaji.

Katika siku za nyuma, 2012, miaka arobaini na tano imepita tangu wakati ambapo wanadamu waliamua kutumia utunzaji wa wakati wa atomiki kupima wakati kwa usahihi iwezekanavyo. Mnamo mwaka wa 1967, jamii ya Kimataifa ya wakati haikufafanuliwa tena na mizani ya angani - ilibadilishwa na kiwango cha mzunguko wa cesiamu. Ni yeye aliyepokea jina maarufu sasa - saa ya atomiki. Wakati halisi ambao wanaruhusu kuamua una hitilafu ndogo ya sekunde moja katika miaka milioni tatu, ambayo inawaruhusu kutumika kama kiwango cha wakati katika kona yoyote ya ulimwengu.

Historia kidogo

Wazo lenyewe la kutumia mitetemo ya atomi kwa kipimo sahihi cha wakati ilipendekezwa kwanza mnamo 1879 na mwanafizikia wa Uingereza William Thomson. Katika jukumu la mtoaji wa resonators za atomi, mwanasayansi huyu alipendekeza kutumia haidrojeni. Jaribio la kwanza la kuweka wazo katika vitendo lilifanywa tu katika miaka ya 40s. karne ya ishirini. Na saa ya kwanza ya atomic inayofanya kazi ulimwenguni ilionekana mnamo 1955 huko Great Britain. Ziliundwa na mwanafizikia wa majaribio wa Uingereza Dk Louis Essen. Saa hii ilifanya kazi kwa msingi wa kutetemeka kwa atomi za cesiamu-133 na shukrani kwao wanasayansi mwishowe waliweza kupima wakati kwa usahihi mkubwa zaidi kuliko ilivyokuwa hapo awali. Chombo cha kwanza cha Essen kiliruhusu kosa la si zaidi ya sekunde kwa kila miaka mia moja, lakini baadaye iliongezeka mara nyingi na kosa kwa sekunde linaweza tu kupita zaidi ya miaka milioni 2-3.

Saa ya atomiki: jinsi inavyofanya kazi

Je! Kifaa hiki kijanja hufanyaje kazi? Saa za atomiki hutumia molekuli au atomi kwa kiwango cha wingi kama jenereta ya masafa ya resonant. huanzisha uhusiano kati ya mfumo wa "kiini cha atomiki - elektroni" na viwango kadhaa vya nishati tofauti. Ikiwa mfumo kama huo umeathiriwa na masafa yaliyotajwa kabisa, basi mfumo huu utabadilika kutoka kiwango cha chini kwenda cha juu. Mchakato wa nyuma pia inawezekana: mpito wa atomi kutoka kiwango cha juu hadi cha chini, ikifuatana na chafu ya nishati. Matukio haya yanaweza kudhibitiwa na kurekodi kuruka kwa nguvu zote, na kuunda kitu kama mzunguko wa oscillatory (pia huitwa oscillator ya atomiki). Mzunguko wake wa resonance utalingana na tofauti ya nishati kati ya viwango vya karibu vya mabadiliko ya atomi, iliyogawanywa na Planck mara kwa mara.

Mzunguko kama huo una faida isiyo na shaka juu ya watangulizi wake wa kiufundi na wa anga. Kwa oscillator moja kama hiyo, masafa ya resonant ya atomi ya dutu yoyote yatakuwa sawa, ambayo haiwezi kusema juu ya pendulums na fuwele za piezo. Kwa kuongeza, atomi hazibadilishi mali zao kwa muda na hazichoki. Kwa hivyo, saa za atomiki ni sahihi sana na karibu na chronometer ya kudumu.

Saa sahihi na teknolojia ya kisasa

Mitandao ya mawasiliano, mawasiliano ya satelaiti, GPS, seva za NTP, shughuli za elektroniki kwenye soko la hisa, minada mkondoni, utaratibu wa kununua tikiti kupitia mtandao - mambo haya yote na mengine mengi kwa muda mrefu yamekuwa imara katika maisha yetu. Lakini ikiwa ubinadamu haungebuni saa ya atomiki, yote haya hayangetokea. Wakati halisi, usawazishaji na ambayo hukuruhusu kupunguza makosa yoyote, ucheleweshaji na ucheleweshaji, inamwezesha mtu kutumia vyema rasilimali hii isiyoweza kubadilishwa, ambayo kamwe sio nyingi sana.

Saa ya atomiki

Ikiwa tunatathmini usahihi wa saa za quartz kutoka kwa mtazamo wa utulivu wao wa muda mfupi, basi ni lazima iseme kwamba usahihi huu ni wa juu sana kuliko ule wa saa za pendulum, ambazo, hata hivyo, wakati wa vipimo vya muda mrefu zinaonyesha utulivu mkubwa ya harakati. Katika saa za quartz, makosa husababishwa na mabadiliko katika muundo wa ndani wa quartz na kutokuwa na utulivu wa mifumo ya elektroniki.

Chanzo kikuu cha usumbufu wa utulivu wa masafa ni kuzeeka kwa glasi ya quartz ambayo inalinganisha mzunguko wa oscillator. Ukweli, vipimo vimeonyesha kuwa kuzeeka kwa fuwele, ikifuatana na kuongezeka kwa masafa, huendelea bila kushuka kwa mabadiliko makubwa na mabadiliko ya ghafla. Licha ya. kuzeeka huku kunavuruga operesheni sahihi ya saa ya quartz na kuamuru hitaji la ufuatiliaji wa mara kwa mara na kifaa kingine na oscillator iliyo na mwitikio thabiti, usiobadilika wa masafa.

Ukuzaji wa haraka wa taswira ya microwave baada ya Vita vya Kidunia vya pili ilifungua uwezekano mpya wa kupima wakati kwa usahihi kupitia masafa yanayolingana na laini zinazofaa za wigo. Masafa haya, ambayo yanaweza kuzingatiwa viwango vya masafa, yalisababisha wazo la kutumia jenereta ya kiwango kama kiwango cha wakati.

Uamuzi huu ulikuwa zamu ya kihistoria katika historia ya nyakati, kwani ilimaanisha kuchukua nafasi ya kitengo cha muda cha angani na kiwango kipya cha wakati. Kitengo hiki kipya cha wakati kilianzishwa kama kipindi cha mionzi ya mabadiliko yaliyofafanuliwa haswa kati ya viwango vya nishati ya molekuli ya vitu fulani vilivyochaguliwa. Baada ya masomo mazito ya shida hii katika miaka ya kwanza baada ya vita, iliwezekana kujenga kifaa kinachofanya kazi kwa kanuni ya kunyonya kwa nguvu ya microwave katika amonia ya kioevu kwa shinikizo za chini sana. Walakini, majaribio ya kwanza na kifaa kilicho na vifaa vya kunyonya haikutoa matokeo yanayotarajiwa, kwani upanaji wa laini ya kunyonya unaosababishwa na migongano ya pamoja ya molekuli ilifanya iwe ngumu kuamua masafa ya mpito yenyewe. Ni kwa njia tu ya boriti nyembamba ya molekuli za amonia zinazoruka kwa uhuru huko USSR A.M. Prokhorov na N.G. Basov, na huko USA Townes kutoka Chuo Kikuu cha Columbia waliweza kupunguza kwa kiasi kikubwa uwezekano wa migongano ya pamoja ya molekuli na kuondoa kabisa upanaji wa laini ya wigo. Chini ya hali hizi, molekuli za amonia zinaweza tayari kucheza jukumu la jenereta ya atomiki. Boriti nyembamba ya molekuli, iliyolazwa kupitia bomba kwenye nafasi ya utupu, hupita kwenye uwanja wa umeme usioharibika, ambao molekuli hutenganishwa. Molekuli zilizo katika hali ya juu zaidi zilipelekwa kwa resonator iliyosanikwa, ambapo hutoa nishati ya umeme na masafa ya mara kwa mara ya 23,870,128,825 Hz. Mzunguko huu unalinganishwa na mzunguko wa oscillator ya quartz katika mzunguko wa saa ya atomiki. Kanuni hii ilitumika kujenga jenereta ya kwanza ya idadi - maser ya amonia (Ukuzaji wa Microwave na Uchafuzi wa Mionzi).

N.G. Basov, A.M. Prokhorov na Townes walipokea Tuzo ya Nobel ya Fizikia mnamo 1964 kwa kazi hii.

Wanasayansi kutoka Uswizi, Japani, Ujerumani, Uingereza, Ufaransa na, mwisho kabisa, Czechoslovakia pia wamejifunza utulivu wa masafa ya masers ya amonia. Katika kipindi cha 1968-1979. Katika Taasisi ya Uhandisi wa Redio na Elektroniki ya Chuo cha Sayansi cha Czechoslovak, masers kadhaa za amonia zilijengwa na kuwekwa katika majaribio, ambayo ilitumika kama viwango vya masafa ya kuhifadhi wakati halisi katika saa za atomiki zilizotengenezwa huko Czechoslovakia. Walipata utulivu wa mzunguko wa mpangilio wa 10-10, ambayo inalingana na tofauti za kila siku katika kipindi cha milioni 20 za sekunde.

Hivi sasa, masafa ya atomiki na viwango vya wakati hutumiwa haswa kwa madhumuni makuu mawili - kwa kupima wakati na kwa kusawazisha na kudhibiti viwango vya msingi vya masafa. Katika visa vyote viwili, mzunguko wa jenereta ya saa ya quartz inalinganishwa na mzunguko wa kiwango cha atomiki.

Wakati wa kupima wakati, mzunguko wa kiwango cha atomiki na mzunguko wa jenereta ya saa ya kioo hulinganishwa mara kwa mara, na upotovu unaogunduliwa hutumiwa kuamua uingiliaji wa laini na marekebisho ya wakati wastani. Wakati wa kweli unapatikana kutoka kwa jumla ya usomaji wa saa ya quartz na marekebisho haya ya wastani wa wakati. Katika kesi hii, kosa linalotokana na kuingiliana limedhamiriwa na hali ya kuzeeka kwa kioo cha saa ya quartz.

Matokeo ya kipekee yaliyopatikana kwa viwango vya wakati wa atomiki, na kosa la s 1 tu katika miaka elfu nzima, ndio sababu Mkutano Mkuu wa Kumi na Tatu wa Uzani na Vipimo, uliofanyika Paris mnamo Oktoba 1967, ulifafanua upya kitengo cha wakati - atomiki pili, ambayo sasa ilifafanuliwa kama 9 192 631 770 oscillations ya mionzi ya atomi ya cesium-133.

Kama tulivyoonyesha hapo juu, na kuzeeka kwa kioo cha quartz, mzunguko wa oscillator ya quartz huongezeka polepole na tofauti kati ya masafa ya quartz na oscillators ya atomiki huongezeka kila wakati. Ikiwa curve ya kuzeeka ni sahihi, basi inatosha kurekebisha mitetemo ya quartz mara kwa mara, angalau kwa vipindi vya siku kadhaa. Kwa hivyo, oscillator ya atomiki haiwezi kushikamana kabisa na mfumo wa saa ya quartz, ambayo ni ya faida sana, kwani kupenya kwa ushawishi wa kuingilia kati kwenye mfumo wa kupimia ni mdogo.

Saa ya atomiki ya Uswisi iliyo na oscillator mbili za Masi ya amonia, iliyoonyeshwa kwenye Maonyesho ya Ulimwenguni huko Brussels mnamo 1958, ilipata usahihi wa laki moja ya sekunde kwa siku, ambayo inazidi usahihi wa saa sahihi ya pendulum kwa karibu mara elfu moja. Usahihi huu tayari unafanya uwezekano wa kusoma usumbufu wa mara kwa mara wa kasi ya kuzunguka kwa mhimili wa dunia. Grafu kwenye Mtini. 39, ambayo ni, kama ilivyokuwa, picha ya maendeleo ya kihistoria ya vifaa vya chronometric na uboreshaji wa njia za kupima wakati, inaonyesha jinsi usahihi wa kipimo cha wakati umeongezeka karibu kimiujiza kwa karne kadhaa. Katika miaka 300 iliyopita tu, usahihi huu umeongezeka zaidi ya mara 100,000.

Kielelezo: 39. Usahihi wa vyombo vya chronometric wakati wa 1930-1950

Mkemia Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) alikuwa wa kwanza kugundua cesium, ambayo atomi zake, chini ya hali iliyochaguliwa vizuri, zinauwezo wa kunyonya mionzi ya umeme na masafa ya karibu 9192 MHz. Mali hii ilitumiwa na Sherwood na McCracken kuunda resonator ya kwanza ya boriti ya cesium. Matumizi ya vitendo ya resonator ya cesiamu kwa kupima masafa na wakati ilifuatiwa hivi karibuni na L. Essen, ambaye anafanya kazi katika Maabara ya Kitaifa ya Fizikia nchini Uingereza. Kwa kushirikiana na kikundi cha angani "Umoja wa Majini wa Merika", alikuwa tayari mnamo 1955-1958. iliamua mzunguko wa ubadilishaji wa cesium kwa 9 192 631 770 Hz na kuiunganisha na ufafanuzi wa sasa wa ephemeris ya pili, ambayo baadaye, kama ilivyoonyeshwa hapo juu, ilisababisha kuanzishwa kwa ufafanuzi mpya wa kitengo cha wakati. Resonators zifuatazo za cesiamu zilibuniwa katika Baraza la Kitaifa la Utafiti la Canada huko Ottawa, katika maabara ya Uswisi ya Rechers Horlojeres huko Neuchâtel, n.k Aina ya kwanza ya kibiashara ya saa ya atomiki ya viwandani iliwekwa sokoni mnamo 1956 chini ya jina la Atomichron na Mmarekani Kampuni ya Kitaifa ya Walden "huko Massachusetts.

Ugumu wa saa za atomiki unaonyesha kuwa matumizi ya oscillators ya atomiki inawezekana tu katika uwanja wa upimaji wa muda wa maabara, uliofanywa kwa msaada wa vifaa vikubwa vya kupimia. Kwa kweli, hii ilikuwa kesi hadi hivi karibuni. Walakini, miniaturization imepenya eneo hili pia. Kampuni inayojulikana ya Kijapani "Seiko-Hattori", ambayo inazalisha chronographs tata na oscillators ya kioo, ilitoa saa ya kwanza ya atomiki, iliyotengenezwa tena kwa kushirikiana na kampuni ya Amerika "McDonnell Douglas Astronautics Company". Kampuni hii pia inazalisha seli ndogo ya mafuta, ambayo ni chanzo cha nishati kwa saa zilizotajwa. Nishati ya umeme katika kipengele hiki ni 13? 6.4 mm hutoa radioisotope promethium-147; maisha ya huduma ya kitu hiki ni miaka mitano. Kesi ya kutazama, iliyotengenezwa na tantalum na chuma cha pua, hutoa kinga ya kutosha dhidi ya miale ya beta ya vitu vilivyomo kwenye mazingira.

Vipimo vya angani, utafiti wa mwendo wa sayari angani na tafiti anuwai za redio za radio sasa hazijakamilika bila kujua wakati sahihi. Usahihi unaohitajika wa quartz au saa ya atomiki katika hali kama hizo ni kati ya milioni ya sekunde. Pamoja na kuongezeka kwa usahihi wa habari inayopewa wakati, shida za usawazishaji wa saa zilikua. Njia iliyoridhisha kabisa ya ishara ya wakati wa redio kwenye mawimbi mafupi na marefu ilionekana kuwa haitoshi kabisa kusawazisha vyombo viwili vya chronometric vilivyo karibu na kila mmoja kwa usahihi wa zaidi ya s 0.001, na sasa kiwango hiki cha usahihi tayari hairidhishi.

Mojawapo ya suluhisho linalowezekana - usafirishaji wa saa za msaidizi mahali pa vipimo vya kulinganisha - ilitolewa na miniaturization ya vitu vya elektroniki. Mwanzoni mwa miaka ya 60, quartz maalum na saa za atomiki zilijengwa ambazo zinaweza kusafirishwa na ndege. Wangeweza kusafirishwa kati ya maabara za angani, na wakati huo huo walitoa habari juu ya wakati huo kwa usahihi wa milioni moja ya sekunde. Kwa hivyo, kwa mfano, wakati mnamo 1967 usafirishaji wa mabara ya saa ndogo za cesiamu zilizotengenezwa na kampuni ya California "Hewlett-Packard" zilifanywa, kifaa hiki kilipitia maabara 53 za ulimwengu (ilikuwa pia huko Czechoslovakia), na kwa msaada wake saa ya ndani ilisawazishwa na usahihi 0.1 μs (0.0000001 s).

Satelaiti za mawasiliano zinaweza pia kutumiwa kwa kulinganisha wakati wa microsecond. Mnamo 1962 Great Britain na Merika zilitumia njia hii kwa kupitisha ishara ya wakati kupitia satellite ya Telestar. Walakini, usafirishaji wa ishara kwa kutumia teknolojia ya runinga umetoa matokeo mazuri zaidi kwa gharama ya chini.

Njia hii ya kupitisha wakati na masafa sahihi kwa kutumia kunde za televisheni zilizolandanishwa ilitengenezwa na kuendelezwa katika taasisi za kisayansi za Czechoslovak. Kusawazisha msukumo wa video, ambao kwa vyovyote usumbufu usambazaji wa programu ya runinga, ni msaidizi msaidizi wa habari juu ya wakati. Katika kesi hii, hakuna haja ya kuanzisha kunde yoyote ya ziada kwenye ishara ya picha ya runinga.

Sharti la kutumia njia hii ni uwezo wa kupokea programu ile ile ya runinga katika maeneo ya saa zilizolinganishwa. Saa zilizolinganishwa zimebadilishwa awali kwa usahihi wa milliseconds kadhaa, na kipimo lazima kitekelezwe katika vituo vyote vya kupimia wakati huo huo. Kwa kuongezea, ni muhimu kujua utofauti wa wakati unaohitajika kwa usafirishaji wa kunde za kusawazisha kutoka kwa chanzo cha kawaida, ambacho ni kisawazishaji cha televisheni, kwa wapokeaji katika eneo la saa ikilinganishwa.