W zeszłym roku, 2012, minęło czterdzieści pięć lat, odkąd ludzkość zdecydowała się wykorzystać pomiar czasu atomowego do jak najdokładniejszego pomiaru czasu. W 1967 r. w międzynarodowym układzie SI kategoria czasu nie była już określana przez skale astronomiczne - zastąpiono je wzorcem częstotliwości cezu. To on otrzymał popularną teraz nazwę - zegary atomowe. Dokładny czas, który pozwalają określić, ma pomijalny błąd jednej sekundy na trzy miliony lat, co pozwala na ich użycie jako standardu czasu w dowolnym zakątku świata.
Trochę historii
Sam pomysł wykorzystania drgań atomowych do ultraprecyzyjnego pomiaru czasu został po raz pierwszy wyrażony w 1879 roku przez brytyjskiego fizyka Williama Thomsona. W roli emitera atomów rezonatora naukowiec ten zaproponował zastosowanie wodoru. Pierwsze próby wprowadzenia tego pomysłu w życie podjęto dopiero w latach 40. XX wieku. dwudziesty wiek. I pierwszy na świecie działający zegar atomowypojawił się w 1955 roku w Wielkiej Brytanii. Ich twórcą był brytyjski fizyk eksperymentalny dr Louis Essen. Zegar ten działał w oparciu o drgania atomów cezu-133 i dzięki nim naukowcom udało się wreszcie mierzyć czas ze znacznie większą dokładnością niż dotychczas. Pierwsze urządzenie Essena dopuszczało błąd nie większy niż sekundę na każde sto lat, ale później dokładność pomiarów wzrosła wielokrotnie, a błąd na sekundę może się kumulować dopiero w ciągu 2-3 setek milionów lat.
Zegary atomowe: jak działają
Jak działa to genialne „urządzenie”? Jako generator częstotliwości rezonansowych zegary atomowe wykorzystują poziomy energii cząsteczek lub atomów na poziomie kwantowym. Mechanika kwantowa ustanawia połączenie między systemem "jądro atomowe - elektrony" z kilkoma dyskretnymi poziomami energii. Jeżeli na taki układ działa pole elektromagnetyczne o ściśle określonej częstotliwości, to układ ten przejdzie z niskiego poziomu na wysoki. Możliwy jest również proces odwrotny: przejście atomu z wyższego poziomu na niższy, któremu towarzyszy emisja energii. Zjawiska te można kontrolować i rejestrować wszystkie skoki energii, tworząc coś w rodzaju obwodu oscylacyjnego (nazywa się to również oscylatorem atomowym). Jego częstotliwość rezonansowa będzie odpowiadać różnicy energii pomiędzy sąsiednimi poziomami przejścia atomowego, podzielonej przez stałą Plancka.
Taki obwód oscylacyjny ma niezaprzeczalne zalety w stosunku do swoich mechanicznych i astronomicznych poprzedników. Dla jednegotaki oscylator atomowy, częstotliwość rezonansowa atomów dowolnej substancji będzie taka sama, czego nie można powiedzieć o wahadłach i piezokryształach. Ponadto atomy nie zmieniają swoich właściwości w czasie i nie zużywają się. Dlatego zegar atomowy jest niezwykle dokładnym i niemal wiecznym chronometrem.
Precyzyjny czas i nowoczesna technologia
Sieci telekomunikacyjne, łączność satelitarna, GPS, serwery NTP, transakcje elektroniczne na giełdzie, aukcje internetowe, procedura zakupu biletów przez Internet – wszystkie te i wiele innych zjawisk od dawna mocno zakorzeniło się w naszym życiu. Ale gdyby ludzkość nie wynalazła zegara atomowego, to wszystko po prostu by się nie wydarzyło. Dokładny czas, zsynchronizowany, który pozwala zminimalizować wszelkie błędy, opóźnienia i opóźnienia, pozwala osobie maksymalnie wykorzystać ten bezcenny i niezastąpiony zasób, którego nigdy za dużo.
