Атомски сатови: точно вријеме - кључ напретка

Атомски сатови су најпрецизнији инструменти за мерење времена који данас постоје и постају све важнији са развојем и софистицираношћу модерних технологија.

Принцип рада

Атомски сатови не рачунају тачно време због радиоактивног распада, као што им име каже, већ коришћењем вибрација језгара и електрона који их окружују. Њихова фреквенција је одређена масом језгра, гравитацијом и електростатичким "балансом" између позитивно набијеног језгра и електрона. Ово није у потпуности у складу са уобичајеним сатом. Атомски сатови су поузданији чувари времена, јер се њихове флуктуације не мењају у зависности од фактора окружења као што су влажност, температура или притисак.

Еволуција атомског сата

Много година научници су схватили да атоми имају резонантне фреквенције повезане са способношћу да апсорбују и емитују електромагнетно зрачење. У тридесетим и четрдесетим годинама прошлог века развијена је опрема за високофреквентне комуникације и радарске системе, који могу да реагују са резонантним фреквенцијама атома и молекула. То је допринело идеји о сату.

Први примерци су 1949. године изградили Национални институт за стандарде и технологију (НИСТ). Амонијак је коришћен као извор вибрација. Међутим, они нису били много прецизнији од постојећег стандарда времена, ау следећој генерацији је кориштен цезијум.

Нови стандард

Промена у тачности мерења времена показала се тако великом да је 1967. године Генерална конференција о мерама и тежинама дефинисала други СИ као 9,192,631,770 осцилација атома цезија на својој резонантној фреквенцији. То је значило да време више није било повезано са кретањем Земље. Најстабилнији атомски сатови на свету створени су 1968. године и коришћени су као део НИСТ референтног система до 1990-их.

Аутомобилска побољшања

Један од најновијих достигнућа у овој области је ласерско хлађење. Ово је побољшало однос сигнал-шум и смањило несигурност у сигналу такта. Да би се угостио овај систем хлађења и друга опрема која се користи за побољшање цезијумских сатова, потребно је да простор буде величине жељезничког вагона, иако комерцијалне опције могу стати у кофер. Једна таква лабораторијска поставка броји вријеме у Боулдеру, Цолорадо, и најточнији је сат на Земљи. Они се погрешно схватају само за 2 наносекунде дневно или за 1 с у 1,4 милиона година.

Софистицирана технологија

Таква огромна прецизност је резултат сложеног процеса. Пре свега, течни цезијум се ставља у пећ и загрева док се не претвори у гас. Атоми метала на великој брзини излазе кроз малу рупу у пећи. Електромагнети их раздвајају у одвојене греде са различитим енергијама. Потребни сноп пролази кроз рупу у облику слова У, а атоми су изложени микроталасној енергији на фреквенцији од 9.192.631.770 Хз. Због тога су узбуђени и прелазе у друго енергетско стање. Тада магнетно поље филтрира друга стања атомске енергије.

Детектор реагује на цезијум и показује максимум на исправној фреквенцији. Ово је неопходно за постављање кварцног осцилатора који контролише механизам такта. Подела фреквенције за 9.192.631.770 и даје један импулс у секунди.

Не само цезијум

Иако најчешћи атомски сатови користе својства цезијума, постоје и други типови таквих сатова. Разликују се по елементу који се користи и начину одређивања промене. енергетски ниво. Остали материјали су водоник и рубидијум. Атомски сатови на водонику функционишу као цезијум, али они захтевају контејнер са зидовима од специјалног материјала који спречава да атоми пребрзо губе енергију. Рубидијумски сатови су најједноставнији и компактнији. У њима, стаклена ћелија напуњена рубидијумским гасом мења апсорпцију светлости када је изложена ултра високим фреквенцијама.

Коме је потребно тачно време?

Данас се време може рачунати са великом прецизношћу, али зашто је то важно? Ово је неопходно у системима као што су мобилни телефони, интернет, ГПС, програми авијације и дигитална телевизија. На први поглед, то није очигледно.

Пример тачног времена је синхронизација пакета. Хиљаде телефонских позива пролази кроз средњу линију. Ово је могуће само зато што се разговор не преноси у потпуности. Телекомуникациона компанија је дели на мале пакете и чак прескаче неке информације. Затим пролазе кроз линију заједно са пакетима других разговора и на другом крају се враћају без мијешања. Систем такта телефонске централе може да одреди који пакети припадају датом позиву, према тачном времену слања информација.

ГПС

Још једна имплементација тачног времена је систем глобалног позиционирања. Састоји се од 24 сателита који преносе своје координате и вријеме. Сваки ГПС пријемник се може повезати са њима и упоредити време емитовања. Разлика омогућава кориснику да одреди своју локацију. Ако овај сат није био прецизан, онда би ГПС систем био непрактичан и непоуздан.

Граница савршенства

Са развојем технологије и атомских сатова, нетачности Универзума су постале уочљиве. Земља се креће неравномерно, што доводи до случајних варијација у дужини година и дана. У прошлости, ове промјене би остале непримећене, јер су алати за мјерење времена били превише непрецизни. Међутим, до великог разочарања истраживача и научника, вријеме атомског сата мора се прилагодити како би се надокнадиле аномалије стварног свијета. Они су невероватни алати који доприносе напретку модерне технологије, али је њихова савршеност ограничена границама које поставља сама природа.