Википедија

Atomski časovnik

Atomski sat je vrsta sata koji koristi standardnu rezonantnu frekvenciju atoma kao brojač. Rani atomski satovi bili su mejzeri (aparati koji proizvode koherentne elektromagnetne talase) s dodatnom opremom. Današnji najbolji standardi atomske frekvencije (ili satovi) su zasnovani na mnogo naprednijoj fizici koja uključuje hladne atome i atomske izvore.

Atomski sat
Atomski sat s integralnim kolom (NIST)

Nacionalne agencije za standarde određuju tačnost od 10-9 sekundi na dan i preciznost jednaku frekvenciji radio transmitera koji pokreće mejzer. Satovi održavaju kontinuiranu i stabilnu vremensku skalu, Međunarodno atomsko vreme (TAI). Za civilnu upotrebu koristi se druga vremenska skala, Koordinisano univerzalno vreme (UTC). UTC je proizašlo iz TAI-a, ali je sinhronizovan smenom dana i noći zasnovanom na astronomskim posmatranjima.

Prvi atomski sat napravljen je 1949. u američkom Nacionalnom birou za standarde (NBS). Prvi precizan atomski sat, zasnovan na promenama atoma cezijuma-133, napravio je Luis Esen 1955. u Nacionalnoj fizičkoj laboratoriji u Ujedinjenom Kraljevstvu. Na osnovu njega nastala je međunarodno priznata definicija sekunde zasnovana na atomskom vremenu.

U avgustu 2004. naučnici Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) prikazali su atomski sat sa integralnim kolom. Taj sat je bio sto puta manji od ostalih. Takođe se tvrdilo da mu je dovoljno samo 75 mW, tako da je mogao biti napajan baterijom.

Moderni radio satovi su povezani s atomskim satovima i omogućuju vrlo tačno vreme uz korišćenje jeftine opreme; radio satovi, međutim nisu dovoljno precizni za naučni rad.

Kako radi atomski sat uredi

Frekventni mejzeri koriste komore jonizovanog gasa, još češće cezijuma, jer je cezijum element koji se koristi u zvaničnim međunarodnim definicijama sekunde.

Od 1967, Međunarodni sistem jedinica mere (SI) definiše sekundu kao 9.192.631,770 ciklusa radijacije koja odgovara razmeni između dva novoa energije atoma cesijum-133. Ova definicija je odredila cezijumov oscilator (koji se često naziva atomski sat) kao primarni standard za merenje vremena i frekvencije. Druge fizičke mere, kao što su volt i metar, oslanjaju se na definiciju sekunde u svojim sopstvenim definicijama.

Srce atomskog sata je mikrotalasna komora koje sadrži jonizovan gas, podesivi mikrotalasni radio oscilator i kontroler koji podešava oscilator na tačnu frekvenciju apsorpcionih karakteristika definisanih ponašanjem pojedinih atoma.

Mikrotalasni transmiter ispunjava komoru standardnim radio talasom. Kada se radio frekvencija upari s superfinom tranzicijom frekvencije cezijuma, atomi cezijuma apsorbuju radio-talase i emituju svetlost. Radio-talasi teraju elektrone dalje od jezgra. Kada elektroni budu ponovo privučeni suprotnim punjenjem jezgra, elektroni vijugaju pre nego se smeste na novu lokaciju. Ovo kretanje izaziva svetlost, koje je talas naizmeničnog elektriciteta i magnetizma.

Foto ćelija registruje svetlost. Kada svetlost postane tamnija, jer je pobuđena frekvencija drugačija od prave rezonantne frekvencije, elektronika između foto ćelije i radio transmitera podešava frekvenciju radio transmitera.

Ovo podešavanje procesa je najsloženiji deo sata. Podešavanje pokušava da eliminiše neželjene sporedne efekte, kao što su frekvencije drugih tranzicija elektrona, deformacija u kvantnim poljima i efekti temperature u mehanizmu. Na primer: frekvencija radio-talasa može namerno biti sinusoidno podešena naviše ili naniže da bi generisala modulisani signal u foto ćeliji. Signal iz foto ćelije tada može biti demodulisan da bi napravio povratnu spregu koja kontroliše dugotrajne otklone u radio frekvenciji. Na taj način, ultra-precizne kvantne mehaničke karakteristike atomske tranzicije cezijuma mogu da se koriste za podešavanje mikrotalasnog oscilatora na istu frekvenciju (izuzev male količine izazvane eksperimentalnom greškom). U praksi, mehanizam povratne sprege i kontrole je mnogo složeniji nego što je opisano. Kada se sat prvi put pokrene, potrebno je malo vremena da se podesi.

 
Istorijska preciznost atomskih satova (NIST).

Brojač meri talase koje proizvodi radio transmiter. Računar očitava brojač i konvertuje brojeve na sličan način kao digitalni sat.

Veliki broj drugih atomskih satova koristi se za druge namene. Rubidijumski satovi su popularni zbog svoje male cene, malih dimenzija (komercijalni standardi su 400 cm³ ) i kratkoročne stabilnosti. Oni se koriste u mnogim komercijalnim, prenosnim i avionskim uređajima. Vodonični mejzeri (često proizvedeni u Rusiji) imaju superiornu kratkoročnu stabilnost, ali manju dugoročnu preciznost.

Životni vek standarda je važan praktičan problem. Moderne rubidijumske standardne cevi traju više od deset godina, a koštaju oko 50 dolara. Cezijumske cevi traju oko sedam godina i koštaju oko 35.000 dolara. Hidrogenske cevi imaju neograničen vek trajanja.

Istorija uredi

Prvu ideju o korištenju atomske frekvencije u svrhu merenja vremena je predložio Lord Kelvin 1879. godine.[1] Magnetna rezonanca, razvijena tokom 1930-ih od strane Isidor Rabija, praktično je omogućila izradu takvog sata.[2] Godine 1945, Rabi je prvi javno predložio da se magnetna rezonanca može se koristiti kao osnova za sat.[3]

Prvi atomski sat je napravljen u američkom nacionalnom birou za standarde NBS. Prvi precizni atomski sat napravio je Luis Esen u Velikoj Britaniji 1955. godine, a rad ovog sata je bio zasnovan na promenama atoma cezijuma-133. Tačnost tog sata je dovela do toga da su oscilacije cezijuma-133 izabrane u okviru Međunarodnog sistema mernih jedinica za određivanje trajanja jedne sekunde. Sekunda je trajanje od 9 192 631 770 perioda zračenja koje odgovara prelazu između dva hiperfina nivoa osnovnog stanja atoma cezijuma-133 na temperaturi od 0 K.[4] Od tada se za atomske satove koriste vodonik-1, cezijum-133 i rubidijum-87, ali ipak cezijum-133 je najtačniji. Atomski sat FOCS-1 u Švajcarskoj, koji je počeo raditi 2004. godine, ima najveću grešku od 1 sekunde u 30 miliona godina.[5][6][7]

U avgustu 2004. godine naučnici američkog nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) javnosti su predstavili atomski sat FOCS-1 sa integralnim kolom koji je bio 100 puta manji od ostalih. Ovaj atomski sat ima najveću grešku od 1 sekunde u 30 miliona godina.[8]

Primena uredi

Razvoj atomskih satova doveo je do mnogih naučnih i tehnoloških dostignuća kao što su Globalni pozicioni sistem, regionalni navigacioni satelitski sistemi i aplikacije na Internetu, koje kritično zavise od frekvencija i vremenskih standarda. Atomski satovi se instaliraju na mestima vremenskih signala radio predajnika.

Globalni pozicioni sistem (GPS) uredi

Glavni članak: Globalni pozicioni sistem

Globalni pozicioni sistem je kori se koristi za određivanje pozicije na zemlji.

To je navigacioni satelitski sistem, čiji se koncept zasniva na prostorno baziranim satelitima, a koji pruža pouzdane podatke o prostoru i vremenu u svim vremenskim uslovima i bilo gde na Zemlji i blizu Zemlje pod uslovom da nema prepreke vidljivosti prema četiri ili više satelita koji čine ovaj globalni sistem. Funkcioniše uz pomoć 27 satelita, od kojih je 24 aktivno a tri služe kao rezerva, u slučaju kvarova. Za kalkulaciju pozicije je potreban signal od najmanje tri satelita. Vreme koje je potrebno emitovanom signalu da pređe put između jednog satelita i tačke na zemlji služi za kalkulaciju njihovog rastojanja. Time u principu biva izračunato beskonačno mnogo tačaka u prostoru odnosno radijus jedne kugle, na čijoj površini se bilo gde može nalaziti određena tačka. Sa dva satelita se dobiju dve kugle, čiji presek je jedna krivulja u svemiru, koja delom leži na zemlji. Tek sa signalom trećeg satelita je moguće utvrditi položaj objekta na zemlji. Presek tri kugle su dve tačke, od kojih je jedna na zemlji, a druga negdje u svemiru. Ako se izuzme tačka u svemiru, kao rezultat ostaje tačka na zemlji. Time je trodimenzionalno određen položaj tačke na zemlji.

Istraživanja uredi

 
Cezijumski atomski sat iz 1975. (gornja jedinica) i rezervna baterija (donja jedinica).[9]
 
Eksperimentalni optički časovnik baziran na stroncijumu.

Mnoga istraživanja usmerena su da se naprave manji, jeftiniji, precizniji i pouzdaniji satovi.[10] Ovi ciljevi su često međusobno sukobljeni. Mnoga sadašnja istraživanja usmerena su na razne načine hvatanja jona. Teorijski, jedan elektromagnetski zaustavljen jon može da se posmatra u vrlo dugom periodu, čime se povećava preciznost sata, a istovremeno smanjuje veličina sata i potrošnja energije.[11][12]

U praksi, satovi s jednim jonom imaju slabu kratkoročnu preciznost, jer se jon mnogo kreće. Savremena istraživanja koriste lasersko hlađenje jona, s optičkim rezonatorima da bi povećali kratkoročnu stabilnost. Najveći deo teškoća odnosi se na eliminisanje temperaturnih i mehaničkih efekata u rezonatorima i laserima. Nijedan laser nije za širu upotrebu. Rezultat je da je komora za jone vrlo mala, ali je prateća oprema još uvek glomazna. Neki istraživači razvili su satove s različitom geometrijom komora za jone. Linearni oblaci jona obično imaju bolju kratkoročnu preciznost od jednog jona.

Najrazvijeniji sistemi koriste živine jone. Neki istraživači eksperimentišu s drugim jonima. Poseban izotop iterbijum ima posebno preciznu rezonantnu frekvenciju. Stroncijum ima superfinu tranziciju koja nije tako precizna, ali se može podesiti solidnim laserima. Možda će to dovesti do vrlo jevtinog, dugotrajnog, kompaktnog atomskog sata.

Sekundarne reprezentacije sekunde uredi

Spisak frekvencija preporučenih za sekundarne reprezentacije sekunde održava Međunarodni biro za tegove i mere (BIPM), i od 2006. godine i dostupan je onlajn.[13] Lista sadrži vrednosti frekvencije i odgovarajuće standardne nesigurnosti za mikrotalasni prelaz rubidijuma i za nekoliko optičkih prelaza. Ovi sekundarni standardi frekvencije su tačni na nivou delova u 10−18; međutim, nesigurnosti navedene na spisku nalaze se u opsegu delova u 10−14 – 10−15, jer su ograničene povezivanjem sa primarnim standardom cezijuma koji trenutno (2015) definiše sekundu.

Tip radne frekvencije
u Hz 		relativne Alanove devijacije
tipičnih časovnika
133Cs 9 192 631 770  po definiciji[14] 10−13
87Rb 6 834 682 610 .904 324[15] 10−12
1H 1 420 405 751 .7667[16][17] 10−15
Optički časovnik (87Sr) 429 228 004 229 873 .4[18] 10−17

Reference uredi

  1. ^ Thomson, William; Tait, Peter Guthrie (1879). Treatise on Natural Philosophy. 1, part 1 (2nd izd.). Cambridge, England: Cambridge University Press. str. 227. 
  2. ^ M.A. Lombardi; T.P. Heavner; S.R. Jefferts (2007). „NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second” (PDF). Journal of Measurement Science. 2 (4): 74. 
  3. ^ See:
  4. ^ L. Essen, J.V.L. Parry: "An Atomic Standard of Frequency and Time Interval: A Caesium Resonator", journal=Nature, 1955.
  5. ^ Essen, L.; Parry, J. V. L. (1955). „An Atomic Standard of Frequency and Time Interval: A Cæsium Resonator”. Nature. 176 (4476): 280—282. Bibcode:1955Natur.176..280E. S2CID 4191481. doi:10.1038/176280a0. 
  6. ^ „60 years of the Atomic Clock”. National Physical Laboratory. Pristupljeno 2017-10-17. 
  7. ^ W. Markowitz; R.G. Hall; L. Essen; J.V.L. Parry (1958). „Frequency of cesium in terms of ephemeris time”. Physical Review Letters. 1 (3): 105—107. Bibcode:1958PhRvL...1..105M. doi:10.1103/PhysRevLett.1.105. 
  8. ^ J. Ye, H. Schnatz, L.W. Hollberg: "Optical frequency combs: From frequency metrology to optical phase control", http://jilawww.colorado.edu/YeLabs/pubs/scienceArticles/2003/sArticle_2003_08_SchnatzHollberg.pdf Arhivirano 2009-03-25 na sajtu Wayback Machine], journal=IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2003.
  9. ^ „President Piñera Receives ESO's First Atomic Clock”. ESO Announcement. 15. 11. 2013. Pristupljeno 20. 11. 2013. 
  10. ^ Laura Ost (4. 2. 2014). „A New Era for Atomic Clocks”. National Institute of Standards and Technology. Pristupljeno 18. 10. 2015. 
  11. ^ ESA. „Atomic clock ensemble in space (ACES)” (PDF). ERASMUS Centre - Directorate of Human Spaceflight and Operations. Pristupljeno 11. 2. 2017. 
  12. ^ „With better atomic clocks, scientists prepare to redefine the second”. Science | AAAS (na jeziku: engleski). 2018-02-28. Pristupljeno 2018-03-02. 
  13. ^ The list of frequencies recommended for secondary representations of the second as it is maintained by the International Bureau of Weights and Measures
  14. ^ „Unit of time (second)”. SI Brochure. BIPM. 2014 [2006]. Pristupljeno 23. 6. 2015. 
  15. ^ 87Rubidium BIPM document
  16. ^ Essen, L; Donaldson, R W; Hope, E G; Bangham, M J (jul 1973). „Hydrogen Maser Work at the National Physical Laboratory”. Metrologia. 9 (3): 128—137. Bibcode:1973Metro...9..128E. doi:10.1088/0026-1394/9/3/004. 
  17. ^ Dupays, Arnaud; Beswick, Alberto; Lepetit, Bruno; Rizzo, Carlo (avgust 2003). „Proton Zemach radius from measurements of the hyperfine splitting of hydrogen and muonic hydrogen” (PDF). Physical Review A. 68 (5): 052503. Bibcode:2003PhRvA..68e2503D. S2CID 3957861. arXiv:quant-ph/0308136  . doi:10.1103/PhysRevA.68.052503. 
  18. ^ 87Strontium BIPM document

Spoljašnje veze uredi

 
Atomski časovnik na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Атомски_часовник&oldid=27550857”