субота, 28. фебруар 2015.

Merenje vremena kroz istoriju 4


Treća revolucija - atomski satovi

ATOMSKI SATOVI

CEZIJUM

Atomski sat je najtačniji sat na svetu. On čak preciznije “beleži” vreme od rotacije Zemlje i kretanja zvezda. Bez njega ne bi bio izvodljiv ni GPS (Global Positioning System), navigacija ne bi bila moguća, položaji planeta ne bi se mogli određivati tako precizno, svemirski letovi ne bi mogli tako dobro da se “organizuju”… Dugoročna preciznost koja se postiže modernim cezijumskim časovnikom (najčešće korišćena vrsta atomskog sata) veća je od jedne sekunde na milion godina. Atomski sat je, time, u poređenju sa astronomskim tehnikama, preciznost merenja vremena uvećao milion puta.

Atomski sat je uređaj za standardizaciju vremena na osnovu učestalih oscilacija unutar atoma ili molekula. Daglas Dvajer, osnivač britanske firme “Frequency Precision”, u jednom elektronskom naučnom magazinu atomski sat poredi sa običnim časovnikom budući da i ovaj ima oscilirajuću masu i “oprugu”, ali dodaje da je velika razlika među njima u tome što se osciliranje u atomskom satu odnosi na jezgro atoma i okolne mu elektrone, i što se njegove oscilacije ne mogu smatrati pravom paralelom između klatna u časovniku i one fine opruge koja reguliše njeno kretanje. I atomski i običan mehanički časovnik za registrovanje protoka vremena koriste osciliranje, ali kod atomskog sata je ono određeno masom nukleusa i silom gravitacije, i elektrostatičkom “oprugom” između pozitivnog naboja nukleusa i elektronskog oblaka.

Atomi pod vakuumom


Atomi imaju karakteristične frekvencije osciliranja. Najpoznatija frekvencija je verovatno narandžasti sjaj natrijuma iz kuhinjske soli koja se prospe po plamenu. Atom može da ima mnoge različite frekvencije, ali je cezijum 133 element koji se najčešće koristi u atomskim satovima.
Da bi se cezijumova atomska rezonanca preobratila u atomski sat, neophodno je precizno izmeriti jednu od njegovih frekvencija, što se obično čini vezivanjem jednog kristalnog oscilatora za glavnu mikrotalasnu rezonancu cezijumovog atoma. Taj signal je u mikrotalasnom opsegu radijskog spektra i, sticajem okolnosti, u istoj je vrsti frekvencija kao direktno emitovani satelitski signali. Inženjeri poznaju način na koji se u toj oblasti spektra izrađuju odgovarajući uređaji.

Da bi se napravio sat, cezijum se prvo zagreva i atomi prolaze kroz jednu cev pod visokim vakuumom – prvo kroz magnetno polje koje selektuje atome odgovarajućeg energetskog stanja, pa potom prolaze kroz intenzivno mikrotalasno polje. Frekvencija mikrotalasne energije njiše se natrag i napred u uskom opsegu frekvencija tako da u jednoj tački svakog ciklusa prelazi frekvenciju od tačno 9,192,631,770 Herca. Domet mikrotalasnog generatora je ionako blizu baš toj frekvenciji, budući da potiče od preciznog kristalnog oscilatora. Kad atom cezijuma primi mikrotalasnu energiju na tačnoj frekvenciji, njegovo energetsko stanje se menja.

Na drugoj strani cevi, drugo magnetno polje izdvaja atome izmenjenog energetskog stanja ukoliko je mikrotalasno polje na tačnoj frekvenciji. Jedan detektor na kraju cevi daje output proporcionalan broju cezijumovih atoma koji ga udaraju, pri čemu su najveće vrednosti output-a onda kad je mikrotalasna frekvencija tačna. Ta najveća vrednost se potom koristi za izvođenje male korekcije kako bi se kristalni oscilator, odnosno mikrotalasno polje, podesili na preciznu frekvenciju. Tako utvrđena frekvencija se potom deli sa 9,192,631,770 kako bi se dobio jedan otkucaj po sekundi neophodan u realnom svetu.

Atomski sat Pharao koji će 2016. god. biti poslan u Međunarodnu svemirsku stanicu (ISS)

Laboratorijski najprecizniji

Kako se meri atomsko vreme? Tačna frekvencija određene cezijumove rezonance se međunarodnim sporazumom definiše kao 9,192,631,770 Herca, tako da se, deljenjem output-a ovim brojem dobije tačno 1 Herc, ili jedan ciklus po sekundi.

Danas postoji više vrsta atomskih satova, ali svi rade na istom principu. Najveća razlika među njima se odnosi na element koji koriste kao sredstvo detektovanja promene energetskih nivoa: cezijumski koriste snop cezijumovih atoma, pri čemu sat uz pomoć magnetnog polja razdvaja cezijumove atome različitih energetskih nivoa; vodonični atomski satovi održavaju atome vodonika na odgovarajućem energetskom nivou u jednom kontejneru sa zidovima od specijalnog materijala tako da atomi ne gube prebrzo visok energetski nivo; najjednostavniji i najkompaktniji, rubidijumski atomski satovi, koriste staklenu ćeliju sa gasom rubidijumom, koja menja apsorbovanje svetlosti na optičkoj rubidijumovoj frekvenciji kad je okolna mikrotalasna frekvencija tačna. Najprecizniji su cezijumski atomski satovi sa normalnim magnetnim poljem.

Prve takve atomske satove proizvodila je “National Company” iz Masačusetsa (SAD), a danas ih prave razni proizvođači, uključujući “Hewlett Packard”, “Frequency Electronics” i “FTS”. Treba imati u vidu da nove tehnologije stalno unapređuju njihove performanse, pri čemu su najprecizniji laboratorijski cezijumski atomski satovi hiljadu puta precizniji od komercijalnih.


G.T.
Planeta


 
ALUMINIJUMSKI SAT


Prvi atomski sat napravljen je 1955. u engleskoj Nacionalnoj fizičkoj laboratoriji (NPL) u Teddington-u. Dizajnirali su ga i napravili fizičari Louis Essen and Jack Parry.


Jack Parry (lijevo) i Louis Essen (desno) sa Cezijumskim Mk. 1 atomskim satom


Aluminijski sat,izumeli su naučnici američkog Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST). On je poboljšana verzija atomskog sata, bazirana na atomu aluminijuma.Ovaj kvantnologički ili, jednostavnije, „aluminijumski” sat gubi otprilike jednu sekundu na neverovatnih 3,7 milijardi godina. To znači da bi ovaj sat u teoriji mogao da radi do kraja postojanja planete Zemlje uz praktično minimalna odstupanja. Po svojoj preciznosti, ovaj sat je više nego duplo prevazišao do sada najprecizniji sat, baziran na atomima žive.
Rad na ovom projektu trajao je nekoliko godina, a prema rečima čelnika NIST-a trenutna verzija sata nije konačna. Prvobitna verzija sata kombinovala je atome aluminijuma i berilijuma, ali se ispostavilo da je kombinacija izolovanih aluminijumskih jona znatno bolje rešenje.

Na prvi pogled, ovaj (skoro) savršeni izum izgleda poput naprave za koju Paja Patak u popularnom crtanom filmu kaže: „Čemu ovo služi, a uz to i ne radi?” Sat radi besprekorno, a praktična primena atomskog merenja vremena se sve više koristi u svetu nauke i tehnologije.

Pojednostavljeno, sat funkcioniše po sledećem principu: vrhunski precizna aparatura beleži vremenske intervale pulsiranja aluminijumskog jona koji je zarobljen u elektromagnetnom polju.
( joni su atomi ili molekuli koji su ostali bez jednog ili više elektrona).

 Frekvencije kojima se „bombarduje” aluminijum mere se petahercima, što odgovara visokim frekvencijama ultraljubičastih zraka. Otkriveno je da aluminijum na ovim vrednostima daje najtačniji „otkucaj” od svih elemenata u periodnom sistemu. Ovo otkriće pomalo je iznenadilo naučnike, jer se do sada smatralo da su najprecizniji radioaktivni elementi i metali koji su na sobnim temperaturama tečni ili su blizu temperature topljenja (živa, francijum, cezijum, galijum i rubidijum). Podsetimo, cezijumski sat je i dalje zvaničan atomski sat, jer je cezijum element koji se koristi u zvaničnom definisanju sekunde, jedne od sedam osnovnih es-i jedinica. Novonastala situacija ide naruku ljudima od struke, uzimajući u obzir da se radi o relativno jeftinom i lako dostupnom metalu, koji je pored toga u kontrolisanim uslovima neosetljiv na pozadinska elektromagnetna zračenja i temperaturu.
Da li je čovečanstvu zaista potreban ovaj (skoro) savršen sat? I te kako!

Principi ultrapreciznog određivanja vremenskih intervala već se koriste u oblasti svemirskih istraživanja, satelitskih navigacija, u brojnim granama nauke i medicine. U ne tako dalekoj budućnosti tehnološka dostignuća zasnovana na ovom projektu mogla bi da se koriste u naprednim dži-pi-es sistemima za potpuno automatsko kontrolisanje drumskog, pomorskog ili vazdušnog saobraćaja ili kosmičkih letova.

Aluminijumski sat bi u narednih nekoliko godina trebalo da zameni zvanični atomski (cezijumski) sat. Novi sat je pravi „švajcarac” u odnosu na aktuelni, koji gubi jednu sekundu na svakih 100 miliona godina.
izvor


ITERBIJSKI OPTIČKI SAT

 Iterbijski optički sat je za sada najprecizniji atomski sat. On ne varira više od jednog delića u trilionima. Drugim rečima, ako bude nekog otklona u merenju jedne sekunde, dogodiće se u 18. decimali,  (13,8 miliardi godina ili kolika je starost svemira).  Zbog laserske opreme i tehnologije nužne za takvu vrstu preciznosti, ovaj sat i sve njegove komponente zauzimaju prostor veličine trpezarijskog stola.

 Sat funkcioniše sa iterbijum atomom, retkim hemijskim elementom koji se  prvenstveno koristi u automobilskoj industriji,u mikrovalnim komunikacijskim uređajima,  rezonatorima, magnetskim merilima, tranzistorima, oscilatorima,  laserima.
Stari atomski satovi I ovaj optički  rade na istom principu. Izvan jezgra atoma su elektroni, koji se nalaze na različitim  energetskim nivoima. Svetlsoni zraci određene valne duđine upućuju se ( pucaju) na elektrone i izbacuju na višu energiju.Nakon toga elektroni "padaju" natrag. Prebacivanje elektrona između dva od spomenutih energetskih nivoa,  koristi se za definisanje trenutka.
 
NIST ytterbium atomic clocks set record for stability
 

Šta čini iterbijum sat stabilnim? Prvo, velik broj atoma (oko 10.000 jedinica), koji se hlade do blizine apsolutne nule. Snop svetlosti se vrlo precizno podešava uz pomoć  feedback sistema.
Sa ovim satom  moguće je meriti razlike  u vremenu na različitim visinama,to jest testirati Anštajnovu teoriju, što je i učinjeno ( i dokazana razlika između vremena na tlu zemlje i u avionu) 
 
"U osamnaestom veku brodarstvo je bilo pokretačka sila za navigacijkse pretrage i tačne odredbe vremena", podsetio je u jednom intervjuu Ernst O. Göbel. " I danas je navigacija  jedan od najvažnijih aplikacija za naprednu chronometriju." Optički satovi navigacijskih satelita - poput projekta Galileo - može isporučiti ispravke položaja s tačnošću od jednog centimetra. U ovom trenutku sat stvara vremenski odmak od jedne hiljadite sekunde do tačnosti od 300 metara. "

                                                       Merenje vremena kroz istoriju 1 deo
                                                       Merenje vremena kroz istoriju 2 deo
                                                       Merenje vremena kroz istoriju 3 deo

 
 
 

2 коментара:

  1. Sta je vreme — ako me niko ne pita, ja znam, ali ako zelim da to nekom objasnim, onda ne znam- St.Augustin.
    Vreme je, kao i prostor, povezano sa promenama i sa stvarima cije se osobine menjaju. No, u fizici nije rec toliko o tome da se prostor i vreme tacno definisu, vec da se tac izmere.
    Z.

    ОдговориИзбриши