Atomové hodiny: přesný čas - klíč k pokroku
Atomové hodiny jsou nejpřesnější nástroje pro měření času, které dnes existují a stávají stále důležitějšími při vývoji a sofistikovanosti moderních technologií.
Princip činnosti
Atomové hodiny nepočítají přesný čas kvůli radioaktivnímu rozpadu, jak naznačuje jejich název, ale s použitím vibrací jader a elektronů, které je obklopují. Jejich frekvence je určována hmotností jádra, gravitační a elektrostatickou "rovnováhou" mezi kladně nabitým jádrem a elektrony. To není zcela v souladu s obvyklým strojním zařízením. Atomové hodiny jsou spolehlivější držitelé času, protože jejich kolísání se nemění v závislosti na okolních faktorech, jako je vlhkost, teplota nebo tlak.
Vývoj atomových hodin
Vědci již mnoho let vědí, že atomy mají rezonanční frekvence spojené se schopností každého absorbovat a vysílat elektromagnetické záření. Ve třicátých a čtyřicátých letech se vyvinulo zařízení pro vysokofrekvenční komunikaci a radarové systémy, které by mohly reagovat s rezonančními frekvencemi atomů a molekul. To přispělo k představě hodinky.
První kopie byly postaveny v roce 1949 Národním institutem pro standardy a technologie (NIST). Jako zdroj vibrací byl použit amoniak. Nicméně nebyly mnohem přesnější než stávající časový standard a v příští generaci byl použit cesium.
Nový standard
Změna přesnosti měření času se ukázala být tak velká, že v roce 1967 generální konference o měření a váhy definovala druhou SI jako 9 192 631 770 oscilace atomu cesia při jeho rezonanční frekvenci. To znamenalo, že čas nebyl spojen s pohybem Země. Nejstabilnější atomové hodiny na světě vznikly v roce 1968 a používaly se jako součást časového referenčního systému NIST až do 90. let 20. století.
Zlepšení vozu
Jedním z nejnovějších pokroků v této oblasti je chlazení laserem. To zlepšilo poměr signálu k šumu a snížilo nejistotu hodinového signálu. Aby se tento chladicí systém a další zařízení používané k vylepšení cesiových hodin přizpůsobily, je zapotřebí prostor pro velikost železničního vozu, ačkoli komerční volby se vejde do kufru. Jedno takové laboratorní nastavení počítá čas v Boulderu v Coloradu a je nejpřesnější hodiny na Zemi. Oni se mýlí pouze za 2 nanosekundy za den nebo za 1 s za 1,4 milionu let.
Sofistikovaná technologie
Tato obrovská přesnost je výsledkem složitého procesu. Nejprve se kapalné cesium umístí do pece a zahřeje se, až se změní na plyn. Kovové atomy při vysoké rychlosti vystupují malou dírou v peci. Elektromagnety je dělí na samostatné paprsky s různými energiemi. Požadovaný paprsek prochází otvorem ve tvaru písmene U a atomy jsou vystaveny mikrovlnné energii s frekvencí 9.192.631.770 Hz. Kvůli tomu jsou vzrušeni a pohybují se do jiného energetického stavu. Pak magnetické pole odfiltruje jiné stavy atomové energie.
Detektor reaguje na cesium a vykazuje maximum na správné frekvenci. To je nutné pro nastavení křemenného oscilátoru, který ovládá mechanizmus hodin. Rozdělení jeho frekvence o 9.192.631.770 a udává jeden impuls za sekundu.
Nejen cesium
Ačkoli nejčastější atomové hodiny používají vlastnosti cesia, existují i jiné typy atomů. Odlišují se v použitém prvku a prostředcích určujících změnu. úroveň energie. Dalšími materiály jsou vodík a rubidium. Atomové hodiny na vodíku fungují jako cesium, ale vyžadují nádobu se stěnami vyrobenými ze speciálního materiálu, který zabraňuje příliš rychlému ztrátě energie. Rubidium hodiny jsou nejjednodušší a nejkompaktnější. V nich skleněná buňka naplněná plynem rubidiem mění absorpci světla při vystavení ultra vysoké frekvenci.
Kdo potřebuje přesný čas?
Dnes může být čas počítán s extrémní přesností, ale proč je to důležité? To je nezbytné v systémech, jako jsou mobilní telefony, internet, GPS, letecké programy a digitální televize. Na první pohled to není zřejmé.
Příklad, jak přesný čas je použit, je synchronizace paketů. Tisíce telefonních hovorů procházejí středem. To je možné pouze proto, že konverzace není přenášena úplně. Telekomunikační společnost ji rozděluje na malé balíčky a dokonce přeskočí některé informace. Pak projdou čárou spolu s balíčky jiných rozhovorů a na druhém konci jsou obnoveny bez míchání. Systém hodinování telefonní ústředny může určit, které pakety patří tomuto rozhovoru podle přesného času odesílání informací.
GPS
Další implementací přesného času je globální systém určování polohy. Skládá se z 24 satelitů, které vysílají své souřadnice a čas. Každý GPS přijímač se s nimi může připojit a porovnat vysílací časy. Rozdíl umožňuje uživateli určit polohu. Pokud by tyto hodinky nebyly příliš přesné, systém GPS by byl nepraktický a nespolehlivý.
Perfektní limit
S vývojem technologie a atomových hodin se stávají zjevnými nepřesnosti vesmíru. Země se pohybuje nerovnoměrně, což vede k náhodným změnám v délce let a dnů. V minulosti by tyto změny nebyly pozorovány, protože nástroje pro měření času byly příliš nepřesné. K velkému zklamání výzkumníků a vědců však musí být čas atomových hodin upraven tak, aby kompenzoval anomálie skutečného světa. Jsou úžasnými nástroji, které přispívají k rozvoji moderních technologií, ale jejich dokonalost je omezena omezeními stanovenými samotnou přírodou.