Атомен часовник – това е най-точният познат начин за измерване на времето. Това впечатляващо устройство навърши 62 години през 2017. Днес ви предлагам да надзърнете в историята му. И да научите как е започнал да отчита времето на трети юни, 1955.
Схема на Цезиев атомeн часовник. Снимка – National Physical Laboratory
Предистория на първия атомен часовник
Преди хиляди години всичко започнало с най-простите наблюдения. Такива са редуването на ден и нощ, периодичната смяна на сезоните – събития, който са лесни за следене. Всичко друго като месеци, седмици, часове или минути, е доста по-сложно за отчитане. Развитието и стремежът към точност на отчитането на времето водят до възникване на все по-сложни и прецизни устройства за отчитане на времето. И в крайна сметка, след векове развитие, до атомния часовник.
Първият атомен часовник, изложен в Музея на науката в Лондон
Времето
Времето, по дефиниция е безкрайното, продължително развитие на съществуване и събития, които се случват в очевидно (поне докато не задълбаете в квантовата механика) необратима прогресия в бъдещето. Оперативното определение на времето е базирано на определен брой повторения на циклично събитие. Това може да е преминаването на махало, което се люлее свободно, например. Стандартната единица се определя от определен брой подобни цикли. Обобщено казано, измерваме времето, като го разделяме на еднакво дълги, повтарящи се, събития. После броим въпросните събития.
Isidor Isaac Rabi
Мерни единици и технология
Секундата първоначално е дефинирана като 1/86400 от продължителността на слънчевия ден. Вариациите във въртенето на земята, обаче, правят това изключително непрецизно. Колкото по-точно искате да отчитате времето, на толкова по-малки повтарящи се сегменти трябва да го разделите. Идеята за използване на промяната в енергийните нива на електроните за отчитане на времето е предложена за пръв път от Lord Kelvin през 1879. Пътят от идеята до създаването на атомен часовник е много дълъг. Ролята на магнетизма и магнитите в създаването му също е критична. Не можем да не споменем тук Isidor Rabi, който развива теорията зад магнитния резонанс. Той предлага и използване на метода си за измерване на времето през 1945.
Първият атомен часовник се появява малко по-късно, когато Американското бюро за стандартизация (U.S. National Bureau of Standards, NBS, днес NIST) създава амонячен мазер през 1949. Забавно, но не и изненадващо, той е по-малко точен от съществуващите по това време кварцови часовници. Създаден е най-вече за доказателство на концепцията.
Louis Essen и Jack Perry с първия атомен часовник, 1955. Снимка – National Physical Laboratory
Първият ефективен атомен часовник от Louis Essen и Jack Perry
Британският физик Louis Essen вече е доктор в момента в който започва да проявява интерес към методи за отчитане на времето, които не са базирани на период на въртенето на Земята. Запленен от възможностите да използва честотата на атомния спектър, за да подобри измерването на времето, което вече е демонстрирано като възможност от NBS. През 1955, заедно с Jack Parry, той разработва първия практичен атомен часовник като интегрира цезиев атомен стандарт с конвенционален кварцов осцилатор, за да осигури калибрация на неговата работа.
Той използва микровълни, за да пренася електрони от атомите цезий от едно енергийно ниво към друго. Essen успява да стабилизира микровълните в точна и повтаряема честота. Подобно на люлеене на махало, прототипът на атомен часовник на Essen залага на честотата, за отчита изминалото време.
Юастливото число: 9192631770
От1967, International System of Units (SI) дефинира секуната като продължителност от 9192631770 (над 9 милиарда) цикъла на радиация, съответстващи на преминаване между две енергийни нива в атома на Цезий 133. През 1997 CIPM добавя, че тази дефиниция се отнася за цезиев атом в покой при температура 0 K. Сложният механозъм на работа на атомен часовник изисква твърде много наука, за да бъде описан и разбран. Грубо казано, това, което прави отчитането на времето изключително прецизно е забележително стабилното излъчване на субатомни частици, съчетано с електронен осцилатор, работещ на микровълнова честота и система, която засича честотата.
Атомен часовник с цезиев фонтан, снмка – National Physical Laboratory
300000 пъти по-точен
Хората в бизнеса знаят, че точността на атомните часовници се подобрява с около 10 пъти за всяко десетилетие. Най-забележимото подобрение в дизайна на цезиевите часовници се дължи на използването на охладени с лазер цезиеви атоми в сложни лабораторни часовници, известни като цезиеви фонтани. Основният часовник на British National Physical Laboratory’s (NPL) цезиевият фонтан NPL-CsF2, е над 300 000 пъти по-прецизен от оригиналния часовник на Essen.