Атомните часовници и как представляват времето

Векове наред човечеството поддържа записи на времето, разчитайки на периоди на въртене на нашата планета. Забавянето и неравномерната скорост го накараха да търси нови начини за проследяване на времето. И така, отначало се появи най-простият часовник - слънчев часовник, след това часовник, махало, вода и в началото на VIII век - механичен . И едва след повече от хиляда години, през 1952 г., изобретени са електроника и кварц.

КВАРЦОВИ КРИСТАЛИ И ЦЕЗИЕВИ АТОМИ В ЧАСОВНИКОВАТА СТРЕЛКА

Идеята за създаване на ултра точен хронометър, основан на вибрациите на водородните частици през 1879 г., е предложена от английския физик Уилям Томсън. Но да се реализира тази идея на практика и да се измисли първият атомен часовник с помощта на частици цезий-133 е възможно едва през 1955 г., британецът Луи Есен.

Устройство с големина на голям хладилник беше наречено NBS-1 и показанията на неговия механизъм послужиха за определяне на второто в рамките на международната система от мерни единици на SI. Оттогава секунда е период от време, през който атом цезий-133 (Cs-133) претърпява 9 192 631 770 енергийни прехода под въздействието на микровълните.

Всеки механизъм на часовника, който може да измерва секунди, има два компонента:

• физическо действие, което може да се повтори непроменен брой пъти в секунда;

• брояч, който записва необходимия брой действия и предава сигнал за изтичането на период от време.

Например, в  кварцов часовник се случват физически действия в кварцов кристал с фиксиран размер. Сгъстявайки и разкачвайки под въздействието на електрически ток със специфична честота 32 768 Hz, кристалът изпълнява необходимия брой трептения, което фиксира брояча и дава сигнал за завъртане на стрелката точно за 1 секунда.

В атомен часовник всичко се случва малко по-различно: електроните в атомите под влияние на микровълново поле променят нивото на енергия и броячът записва броя на такива енергийни преходи за единица време. Принципът е като цяло същият, но точността е напълно различна:

• точността на кварцовия часовник е ± 15 секунди на месец;

• цезиеви атомни часовници изкривяват времето с 1 секунда на 138 милиона години.

КАК УЛТРА ПРЕЦИЗНИТЕ ЧАСОВНИЦИ ИЗМЕРВАТ ВРЕМЕТО?

Устройство за измерване на продължителността на секундата в атомен механизъм включва:

• вакуумна камера;

• кристален осцилатор на микровълни;

• детектор, който контролира честотата на генератора;

• няколко тунела за цезиеви атоми;

• цезиев хлорид (дискриминатор);

• магнитен филтър.

Преди да влезете в тунелите, цезиев хлорид трябва да се нагрее. В резултат на нагряването се образува газов поток с цезиеви йони, който преминава през магнитен филтър. Магнитното поле освобождава атомите с ниско количество енергия и ги насочва по-нататък в камерата, където под въздействието на микровълните на кварцовия генератор те ще започнат да променят енергийното състояние с честота 9,192,631,770 цикъла в секунда.

Ако броят на променените атоми на цезия достигне максимум, тогава детекторът сигнализира, че честотата на микровълновото поле на кристалния осцилатор е избрана правилно. В случай, че техният брой, записан от детектора, не достигне максимум, тогава кристалният осцилатор контролира честотата до 9 192 631 770 Hz.

За да може цикълът да се повтаря непрекъснато, кварцовият генератор се нуждае от електричество. В механизма той се произвежда от детектор на високоенергийни атоми.

Благодарение на порочния кръг на всички процеси и уникалните свойства на цезия, най-малките частици от които не се износват, правейки немислим брой преходи от едно енергийно ниво към друго само за една секунда, механизмът, създаден на неговата основа, все още остава най-точният и стабилен на нашата планета.

От изобретяването на първите атомни часовници мнозина експериментират със своя дискриминатор, прибирайки атоми на други елементи в опитите си да го подобрят. Те обаче стигнаха до извода, че могат да се използват само онези, които не са чувствителни към външни магнитни и електрически влияния.

Сред най-подходящите за тази роля:

• атоми на цезий, калций, стронций, рубидий;

• молекули метан, водород, йод и осмиев оксид.

През 2006 г. екип от американски изследователи, ръководен от Джим Бергквист, въведе часовник с живачен атом в обществото. По време на енергийните преходи на живачни йони се получава образуването на видими фотони, стабилността на които е 5 пъти по-висока, отколкото при цезиево лъчение.

След още 4 години, през 2010 г., физиците от Американския институт NIST успяха да пуснат квантови логически часовници, работещи върху двойки живак. Като генератор те не използват радиация от кварцов генератор, а лазерна светлина от ултравиолетовия диапазон, която носи живачни атоми до квантови промени. Грешката на такъв механизъм е 1 секунда на 15 милиарда години.

2013 г. в областта на технологиите бе белязана от пускането на първия атомен часовник Bathys Hawaii. В основата на тяхната работа е разработването на атомния чип от американската компания Symmetricom. Тяхната грешка е 1 секунда на хиляда години.

През 2017 г. учените от NIST успяха да използват триизмерна решетка в часовника, състояща се от три хиляди атома стронций. Проучванията показват, че с увеличаване на броя на най-малките частици в решетката, точността на времето също се увеличава. Но въпреки тези последни разработки, атомен часовник с цезий с кварцов генератор и до днес остава основата за измерване на времето.

ЗА КАКВО Е АТОМЕН ЧАСОВНИК?

По-стабилен механизъм от атомния не съществува в съвременния технологичен свят. Дори добре познатата точност на швейцарските часовници без съмнение е по-ниска от тях.

Поради факта, че вибрацията на атомните частици не се влияе от температурни индикатори, влажност, вибрации или много други условия на околната среда, атомните механизми са се превърнали в незаменими човешки помощници в много области на дейност:

• те са отговорни за точността на времето, получено от мобилните базови станции и други услуги за синхронизация на часовника;

• само благодарение на атомния часовник може да работи GPS навигационната система, която определя разстоянието във времето, необходимо за получаване на сигнал от орбита;

• с тяхна помощ се определя местоположението на спътници, ракети, космически кораби, подводници и самолети.

Космическото изследване е просто немислимо без точен хронометър. Повечето съвременни космически станции използват взаимодействието на наземните антени с атомните часовници за навигация. Антените изпращат специфичен сигнал към космическия кораб, който го връща обратно. Диапазонът от време между изпращане и получаване на сигнал се използва за определяне на местоположението, скоростта и траекторията на космическия кораб. Тъй като сигналът се предава със скоростта на светлината, за точността на получените данни е важно да се вземе предвид разликата във времето до наносекунди.

За да осигури точен хронометър на борда на своите бъдещи мисии, НАСА в момента тества нова разработка - атомен часовник за използване в дълбоко космос (DSAC). На борда те ще помогнат на астронавтите независимо да проследят местоположението си, без да губят време за двупосочни сигнали със Земята в очакване на отговор за техния резултат. Космически кораб с DSAC на борда ще се нуждае само от еднопосочен сигнал от наземна станция.

За един човек няма особена нужда от такава висока точност за използване в ежедневието. Всъщност, като се има предвид дори най-дългата продължителност на човешкия живот, грешката на такъв часовник ще бъде почти нулева, а цената на часовника достига повече от 10 хиляди долара.

За тези, които все още се интересуват от точността на атомния механизъм, производителите на часовници са разработили модели с радио синхронизация . Те имат вградена антена, която може да приема сигнали от шест радиостанции, разположени в Северна Америка и Евразия, а те от своя страна се синхронизират с UTC (GMT), точността на която се контролира от атомен часовник.