شهد العام الماضي، 2012، مرور خمسة وأربعين عامًا منذ أن قررت البشرية استخدام التوقيت الذري لتعظيمه قياس دقيقوقت. في عام 1967، توقف تحديد الفئة الزمنية الدولية بواسطة المقاييس الفلكية - وتم استبدالها بمعيار تردد السيزيوم. كان هو الذي حصل على الاسم الشائع الآن - الساعة الذرية. الوقت بالضبط، والتي سمحوا بتحديدها، بها خطأ بسيط قدره ثانية واحدة كل ثلاثة ملايين سنة، مما يسمح باستخدامها كمعيار زمني في أي ركن من أركان العالم.

قليلا من التاريخ

تم التعبير عن فكرة استخدام الاهتزازات الذرية لقياس الوقت بدقة فائقة لأول مرة في عام 1879 من قبل الفيزيائي البريطاني ويليام طومسون. اقترح هذا العالم استخدام الهيدروجين كباعث لذرات الرنان. تم إجراء المحاولات الأولى لتطبيق الفكرة موضع التنفيذ فقط في الأربعينيات. القرن العشرين. ظهرت أول ساعة ذرية عاملة في العالم عام 1955 في بريطانيا العظمى. كان منشئهم هو الفيزيائي التجريبي البريطاني الدكتور لويس إيسن. عملت هذه الساعات على أساس اهتزازات ذرات السيزيوم 133، وبفضلها تمكن العلماء أخيرًا من قياس الوقت بدقة أكبر بكثير من ذي قبل. سمح جهاز إيسن الأول بخطأ لا يزيد عن ثانية واحدة لكل مائة عام، لكنه زاد بعد ذلك عدة مرات ويمكن أن يتراكم الخطأ في الثانية فقط خلال 2-3 مائة مليون سنة.

الساعة الذرية: مبدأ التشغيل

كيف يعمل هذا "الجهاز" الذكي؟ تستخدم الساعات الذرية الجزيئات أو الذرات على المستوى الكمي كمولد تردد رنين. ينشئ اتصالاً بين نظام "النواة الذرية - الإلكترونات" والعديد من مستويات الطاقة المنفصلة. إذا تأثر مثل هذا النظام بتردد محدد بدقة، فسوف ينتقل هذا النظام من مستوى منخفضإلى الأعلى. ومن الممكن أيضا عملية عكسية: انتقال الذرة من أكثر مستوى عالإلى انخفاض، يرافقه انبعاث الطاقة. يمكن التحكم في هذه الظواهر وتسجيل جميع قفزات الطاقة عن طريق إنشاء ما يشبه الدائرة التذبذبية (وتسمى أيضًا المذبذب الذري). سوف يتوافق تردد الرنين مع فرق الطاقة بين مستويات التحول الذري المجاورة، مقسومًا على ثابت بلانك.

هذه الدائرة التذبذبيةتتمتع بمزايا لا يمكن إنكارها مقارنة بأسلافها الميكانيكية والفلكية. بالنسبة لأحد هذه المذبذبات الذرية، سيكون تردد الرنين لذرات أي مادة هو نفسه، وهو ما لا يمكن قوله عن البندول والبلورات الضغطية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الذرات لا تتغير خصائصها بمرور الوقت ولا تبلى. ولذلك، فإن الساعات الذرية دقيقة للغاية وهي تقريبًا الكرونومترات الدائمة.

دقة الوقت والتقنيات الحديثة

شبكات الاتصالات، اتصال عبر الأقمار الصناعية، نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، خوادم NTP، المعاملات الإلكترونية في البورصة، المزادات عبر الإنترنت، إجراءات شراء التذاكر عبر الإنترنت - كل هذه الظواهر والعديد من الظواهر الأخرى راسخة في حياتنا منذ فترة طويلة. ولكن إذا لم تخترع البشرية الساعات الذرية، فإن كل هذا ببساطة لم يكن ليحدث. الوقت الدقيق، والتزامن الذي يسمح لك بتقليل أي أخطاء وتأخير وتأخير، يسمح للشخص بتحقيق أقصى استفادة من هذا المورد الذي لا يقدر بثمن والذي لا يوجد الكثير منه على الإطلاق.

ساعات ذرية عالية الدقة ترتكب خطأً قدره ثانية واحدة كل 300 مليون سنة. هذه الساعة التي حلت محل نموذج قديم، الذي سمح بخطأ قدره ثانية واحدة خلال مائة مليون عام، يضع الآن معيار التوقيت المدني الأمريكي. قرر Lenta.ru أن يتذكر تاريخ إنشاء الساعات الذرية.

الذرة الأولى

من أجل إنشاء ساعة، يكفي استخدام أي عملية دورية. وتاريخ ظهور أدوات قياس الوقت هو جزئيًا تاريخ ظهور مصادر طاقة جديدة أو أنظمة تذبذبية جديدة مستخدمة في الساعات. أكثر ساعة بسيطةمن المحتمل أن تكون شمسية: لتشغيلها، هناك حاجة فقط إلى الشمس والجسم الذي يلقي بظلاله. عيوب هذه الطريقة لتحديد الوقت واضحة. المياه والساعات الرملية ليست أفضل أيضًا: فهي مناسبة فقط لقياس فترات زمنية قصيرة نسبيًا.

الأقدم الساعات الميكانيكيةتم العثور عليها عام 1901 بالقرب من جزيرة أنتيكيثيرا على متن سفينة غارقة في بحر إيجه. تحتوي على حوالي 30 تروسًا برونزية في علبة خشبية مقاس 33 × 18 × 10 سنتيمترًا ويعود تاريخها إلى حوالي العام المائة قبل الميلاد.

منذ ما يقرب من ألفي عام، كانت الساعات الميكانيكية هي الأكثر دقة وموثوقية. ربما كان ظهور العمل الكلاسيكي لكريستيان هويجنز "ساعة البندول" في عام 1657 ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato المظاهرات الهندسية")، الذي يصف جهاز حفظ الوقت باستخدام البندول كنظام متأرجح، هو ذروة الفن في العالم. تاريخ التطور الأجهزة الميكانيكيةمن هذا النوع.

ومع ذلك، لا يزال علماء الفلك والبحارة يستخدمون السماء المرصعة بالنجوم والخرائط لتحديد موقعهم وتوقيتهم الدقيق. تم اختراع أول ساعة كهربائية في عام 1814 على يد فرانسيس رونالدز. ومع ذلك، فإن أول جهاز من هذا النوع كان غير دقيق بسبب حساسيته للتغيرات في درجات الحرارة.

يرتبط التاريخ الإضافي للساعات باستخدام أنظمة تذبذبية مختلفة في الأجهزة. تم تقديمه في عام 1927 من قبل موظفي Bell Labs كوارتزتستخدم الخصائص الكهروضغطية لبلورة الكوارتز: عند تعريضها لـ التيار الكهربائيتبدأ البلورة في الانكماش. يمكن أن تصل دقة كرونومترات الكوارتز الحديثة إلى 0.3 ثانية شهريًا. ومع ذلك، نظرًا لأن الكوارتز عرضة للشيخوخة، تصبح الساعات أقل دقة بمرور الوقت.

مع تطور الفيزياء الذرية، اقترح العلماء استخدام جزيئات المادة كأنظمة تذبذبية. هكذا ظهرت الساعات الذرية الأولى. تم اقتراح فكرة إمكانية استخدام الاهتزازات الذرية للهيدروجين لقياس الوقت في عام 1879 من قبل الفيزيائي الإنجليزي اللورد كلفن، ولكن بحلول منتصف القرن العشرين فقط أصبح ذلك ممكنًا.

استنساخ لوحة لهوبرت فون هيركومر (1907)

في ثلاثينيات القرن العشرين، بدأ الفيزيائي الأمريكي ورائد الرنين المغناطيسي النووي إيسيدور رابي العمل على ساعة ذرية من نوع السيزيوم 133، لكن اندلاع الحرب منعه من القيام بذلك. بعد الحرب، في عام 1949، تم إنشاء أول ساعة جزيئية تستخدم جزيئات الأمونيا في لجنة المعايير الوطنية الأمريكية بمشاركة هارولد ليونسون. لكن أدوات قياس الوقت الأولى من نوعها لم تكن دقيقة مثل الساعات الذرية الحديثة.

ترجع الدقة المنخفضة نسبيًا إلى حقيقة أنه بسبب تفاعل جزيئات الأمونيا مع بعضها البعض ومع جدران الحاوية التي توجد بها هذه المادة، تغيرت طاقة الجزيئات واتسعت خطوطها الطيفية. هذا التأثير مشابه جدًا للاحتكاك في الساعة الميكانيكية.

وفي وقت لاحق، في عام 1955، قدم لويس إيسن من مختبر الفيزياء الوطني في المملكة المتحدة أول ساعة ذرية للسيزيوم 133. تراكمت على هذه الساعة خطأ قدره ثانية واحدة على مدى مليون سنة. تم تسمية الجهاز باسم NBS-1 وبدأ يعتبر معيار تردد السيزيوم.

رسم تخطيطىتتكون الساعة الذرية من مذبذب كوارتز يتم التحكم فيه بواسطة جهاز تمييز حسب الدائرة تعليق. يستفيد المذبذب من الخصائص الكهرضغطية للكوارتز، بينما يستخدم التمييز الاهتزازات النشطة للذرات بحيث يتم تتبع اهتزازات الكوارتز بواسطة إشارات من التحولات من مستويات الطاقة المختلفة في الذرات أو الجزيئات. يوجد بين المولد والمميز معوض مضبوط على تردد الاهتزازات الذرية ومقارنته بتردد اهتزاز البلورة.

يجب أن توفر الذرات المستخدمة في الساعة اهتزازات مستقرة. لكل تردد الاشعاع الكهرومغناطيسيهناك ذراتها الخاصة: الكالسيوم، السترونتيوم، الروبيديوم، السيزيوم، الهيدروجين. أو حتى جزيئات الأمونيا واليود.

معيار الوقت

ومع ظهور أدوات قياس الوقت الذري، أصبح من الممكن استخدامها كمعيار عالمي لتحديد الثانية. منذ عام 1884، أفسح توقيت غرينتش، الذي يعتبر المعيار العالمي، المجال لمعيار الساعات الذرية. في عام 1967، وبموجب قرار المؤتمر العام الثاني عشر للأوزان والمقاييس، تم تعريف الثانية الواحدة على أنها مدة 9192631770 فترة من الإشعاع المقابلة للانتقال بين مستويين فائق الدقة للحالة الأرضية لذرة السيزيوم-133. هذا التعريف للثاني لا يعتمد على المعلمات الفلكية ويمكن استنساخه في أي مكان على هذا الكوكب. السيزيوم 133، المستخدم في معيار الساعة الذرية، هو النظير المستقر الوحيد للسيزيوم بنسبة 100٪ على الأرض.

وتستخدم الساعات الذرية أيضا في نظام الأقمار الصناعيةملاحة؛ فهي ضرورية لتحديد الوقت الدقيق وإحداثيات القمر الصناعي. وبالتالي، فإن كل قمر صناعي لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لديه أربع مجموعات من هذه الساعات: اثنتان من الروبيديوم واثنتان من السيزيوم، مما يضمن دقة إرسال الإشارة بمقدار 50 نانو ثانية. على الأقمار الصناعية الروسيةتحتوي أنظمة GLONASS أيضًا على أدوات قياس الوقت الذري للسيزيوم والروبيديوم، كما تحتوي الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع الجغرافي الأوروبي المنتشر على أجهزة الهيدروجين والروبيديوم.

دقة الساعات الهيدروجينية هي الأعلى. إنها 0.45 نانو ثانية في 12 ساعة. على ما يبدو، استخدام غاليليو لمثل هذا ساعة دقيقةسيجعل نظام الملاحة هذا رائدًا بالفعل في عام 2015، عندما سيكون هناك 18 من أقماره الصناعية في المدار.

الساعة الذرية المدمجة

أصبحت شركة Hewlett-Packard أول شركة تقوم بتطوير ساعة ذرية مدمجة. وفي عام 1964، ابتكرت جهاز السيزيوم HP 5060A، بحجم حقيبة كبيرة. واصلت الشركة تطوير هذا الاتجاه، ولكن في عام 2005 باعت قسمها الخاص بتطوير الساعات الذرية لشركة Symmetricom.

في عام 2011، قام متخصصون من مختبر دريبر ومختبرات سانديا الوطنية بتطوير وأصدرت شركة Symmetricom أول ساعة ذرية مصغرة، Quantum. في وقت الإصدار، كانت تكلفتها حوالي 15 ألف دولار، وتم وضعها في علبة محكمة الغلق بقياس 40 × 35 × 11 ملم ووزنها 35 جرامًا. كان استهلاك الطاقة على مدار الساعة أقل من 120 مللي واط. تم تطويرها في الأصل بأمر من البنتاغون وكانت مخصصة للخدمة أنظمة الملاحة، تعمل بشكل مستقل عن أنظمة تحديد المواقععلى سبيل المثال، عميقًا تحت الماء أو تحت الأرض.

بالفعل في نهاية عام 2013 شركة أمريكيةقدمت باثيز هاواي أول ساعة يد ذرية. يستخدمون شريحة SA.45s المصنعة بواسطة Symmetricom كمكون رئيسي. يوجد داخل الشريحة كبسولة تحتوي على السيزيوم 133. ويتضمن تصميم الساعة أيضًا خلايا ضوئية وليزر منخفض الطاقة. وهذا الأخير يضمن تسخين غاز السيزيوم، ونتيجة لذلك تبدأ ذراته في الانتقال من مستوى طاقة إلى آخر. يتم قياس الوقت بدقة عن طريق تسجيل مثل هذا التحول. وتبلغ تكلفة الجهاز الجديد حوالي 12 ألف دولار.

ستؤدي الاتجاهات نحو التصغير والاستقلالية والدقة إلى ظهور أجهزة جديدة تستخدم الساعات الذرية في المستقبل القريب في جميع المجالات الحياة البشريةبدءًا من أبحاث الفضاء حول الأقمار الصناعية والمحطات المدارية وحتى التطبيقات المنزلية في أنظمة الغرفة والمعصم.

اقترح إيزيدور رابي، أستاذ الفيزياء بجامعة كولومبيا، مشروعًا لم يسبق له مثيل: ساعة تعمل على مبدأ الشعاع الذري للرنين المغناطيسي. حدث هذا في عام 1945، وفي عام 1949 أصدر المكتب الوطني للمعايير أول نموذج أولي للعمل. يقرأ اهتزازات جزيء الأمونيا. دخل السيزيوم حيز الاستخدام بعد ذلك بكثير: ظهر نموذج NBS-1 فقط في عام 1952.

أنشأ المختبر الفيزيائي الوطني في إنجلترا أول ساعة تعمل بشعاع السيزيوم في عام 1955. وبعد أكثر من عشر سنوات، خلال المؤتمر العام للأوزان والمقاييس، تم تقديم ساعة أكثر تقدمًا، تعمل أيضًا بالاهتزازات في ذرة السيزيوم. تم استخدام الموديل NBS-4 حتى عام 1990.

أنواع الساعات

على هذه اللحظةهناك ثلاثة أنواع من الساعات الذرية، والتي تعمل على نفس المبدأ تقريبًا. ساعات السيزيوم، الأكثر دقة، تفصل ذرة السيزيوم حقل مغناطيسي. أبسط ساعة ذرية، ساعة الروبيديوم، تستخدم غاز الروبيديوم المحاط بمصباح زجاجي. وأخيرًا، تأخذ الساعة الذرية للهيدروجين ذرات الهيدروجين، مغلقة في غلاف من مادة خاصة- يمنع الذرات من فقدان الطاقة بسرعة.

كم الوقت الان

وفي عام 1999، اقترح المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) نسخة أكثر تقدمًا من الساعة الذرية. يسمح نموذج NIST-F1 بحدوث خطأ قدره ثانية واحدة فقط كل عشرين مليون سنة.

أكثر دقة

لكن فيزيائيي NIST لم يتوقفوا عند هذا الحد. قرر العلماء تطوير كرونومتر جديد، يعتمد هذه المرة على ذرات السترونتيوم. الساعة الجديدة تعمل بنسبة 60% النموذج السابقمما يعني أنهم يخسرون ثانية واحدة ليس خلال عشرين مليون سنة، بل خلال ما يصل إلى خمسة مليارات سنة.

قياس الوقت

الاتفاق الدولي يحدد فقط التردد الدقيقلرنين جسيم السيزيوم. هذا هو 9,192,631,770 هرتز - بتقسيم إشارة الخرج على هذا الرقم يساوي دورة واحدة بالضبط في الثانية.

، جاليليو) مستحيلة بدون الساعات الذرية. تُستخدم الساعات الذرية أيضًا في أنظمة الاتصالات الفضائية والأرضية، بما في ذلك محطات القاعدة الاتصالات المتنقلةومكاتب المعايير الدولية والوطنية، وخدمات الوقت، التي تبث إشارات الوقت بشكل دوري عبر الراديو.

جهاز الساعة

تتكون الساعة من عدة أجزاء:

• التمييز الكمي,
• مجمع الالكترونيات.

المراكز الوطنية لمعايير التردد

شكلت العديد من البلدان مراكز وطنية لمعايير الوقت والتردد:

• (VNIIFTRI)، قرية منديليفو، منطقة موسكو؛
• (NIST)، بولدر (الولايات المتحدة الأمريكية، كولورادو)؛
• المعهد الوطني المتقدم العلوم الصناعيةوالتكنولوجيا () (AIST)، طوكيو (اليابان)؛
• الوكالة الفيزيائية والتقنية الفيدرالية (ألمانية)(PTB)، براونشفايغ (ألمانيا)؛
• المختبر الوطني للقياس والاختبار (فرنسي)(LNE)، باريس (فرنسا).
• المختبر الفيزيائي الوطني بالمملكة المتحدة (NPL)، لندن، المملكة المتحدة.

العلماء دول مختلفةويعملون على تحسين الساعات الذرية وتحديد المعايير الأساسية للوقت والتردد بناءً عليها، وتتزايد دقة هذه الساعات بشكل مطرد؛ في روسيا، يتم إجراء أبحاث واسعة النطاق تهدف إلى تحسين أداء الساعات الذرية.

أنواع الساعات الذرية

ليست كل ذرة (جزيء) مناسبة كمميز للساعة الذرية. حدد الذرات غير الحساسة لمختلف تأثيرات خارجية: المغناطيسية والكهربائية و مجال كهرومغناطيسي. توجد مثل هذه الذرات في كل نطاق من طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي. هذه هي: ذرات الكالسيوم، الروبيديوم، السيزيوم، السترونتيوم، جزيئات الهيدروجين، اليود، الميثان، أكسيد الأوسيميوم (VIII)، إلخ. تم اختيار الانتقال فائق الدقة لذرة السيزيوم كمعيار التردد الرئيسي (الأساسي). تتم مقارنة أداء جميع المعايير (الثانوية) الأخرى مع هذا المعيار. ومن أجل إجراء مثل هذه المقارنة، يتم حاليا استخدام ما يسمى بالأمشاط الضوئية. (إنجليزي)- إشعاع ذو طيف ترددي واسع على شكل خطوط متساوية البعد، ترتبط المسافة بينها بمعيار التردد الذري. يتم إنتاج الأمشاط الضوئية باستخدام ليزر الفيمتو ثانية المقفل والألياف الضوئية ذات البنية الدقيقة، حيث يتم توسيع الطيف إلى أوكتاف واحد.

وفي عام 2006، قام باحثون من المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا، بقيادة جيم بيرجكويست، بتطوير ساعة تعمل على ذرة واحدة. تولد التحولات بين مستويات طاقة أيون الزئبق فوتونات في النطاق المرئي بثبات أعلى بخمس مرات من إشعاع الميكروويف للسيزيوم-133. قد تجد الساعة الجديدة أيضًا تطبيقًا في دراسات اعتماد التغيرات في الثوابت الفيزيائية الأساسية على الوقت. اعتبارًا من أبريل 2015، كانت الساعات الذرية الأكثر دقة هي تلك التي أنشأها المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا. وكان الخطأ ثانية واحدة فقط خلال 15 مليار سنة. كواحد من التطبيقات الممكنةأشارت الساعة إلى الجيوديسيا النسبية، والتي تتمثل فكرتها الرئيسية في استخدام شبكة من الساعات كأجهزة استشعار للجاذبية، مما سيساعد في إجراء قياسات ثلاثية الأبعاد مفصلة بشكل لا يصدق لشكل الأرض.

التطوير النشط للساعات الذرية المدمجة لاستخدامها في الحياة اليومية (ساعة اليد, أجهزة محمولة) . في بداية عام 2011 شركة أمريكية التناظرأعلنت عن الإطلاق التجاري لساعة ذرية من السيزيوم بحجم شريحة صغيرة. تعمل الساعة بناءً على تأثير التقاط السكان المتماسك. استقرارها هو 5 10 -11 في الساعة، الوزن 35 جرام، استهلاك الطاقة 115 ميجاوات.

ملحوظات

1. مجموعة سجلات دقة الساعة الذرية الجديدة (غير معرف) . ميمبرانا (5 فبراير 2010). تم الاسترجاع 4 مارس، 2011. أرشفة 9 فبراير 2012.
2. تعتبر الترددات المشار إليها نموذجية خصيصًا لرنانات الكوارتز الدقيقة، مع أعلى عامل جودة واستقرار للتردد يمكن تحقيقه عند استخدام التأثير الكهرضغطي. بشكل عام، يتم استخدام مذبذبات الكوارتز عند ترددات تتراوح من بضعة كيلوهرتز إلى عدة مئات ميغاهرتز. ( ألتشولر جي بي، إلفيموف إن إن، شاكولين في جي.المذبذبات الكريستالية: دليل مرجعي. - م: الإذاعة والاتصالات، 1984. - س 121، 122. - 232 ص. - 27000 نسخة.)
3. N. G. Basov، V. S. Letokhov.معايير التردد البصري. // يو إف إن. - 1968. - ت 96 رقم 12.
4. مختبرات القياس الوطنية (الإنجليزية). نيست، 3 فبراير 2011 (تم استرجاعه في 14 يونيو 2011)
5. أوسكاي دبليو، ديدامز إس، دونلي إيه، فروتييه تي، هيفنر تي، وآخرون.ساعة بصرية أحادية الذرة بدقة عالية (الإنجليزية) // فيز. القس. بادئة رسالة. . - الجمعية الفيزيائية الأمريكية، 4 يوليو 2006. - المجلد. 97، لا. 2. -