5.6.2017

Měření pozemského času, atomové hodiny

Atomové hodiny jsou přesné hodiny, které měří čas na základě rezonanční frekvence atomů.

Atomové hodiny (respektive iontové hodiny) jsou druh hodin, které používají atomové rezonance jako standardu. Jejich přesnost je taková, že se rozcházejí maximálně sekundu za mnoho milionů let.

První atomové hodiny byly postaveny v roce 1949 v USA (čpavkový maser). První přesné cesiové atomové hodiny byly postaveny Louisem Essenem v roce 1955 v National Physical Laboratory v Anglii.

Základem je kmitání atomů plynného čpavku, resp. cesia. Vibrace těchto atomů je rychlejší (GHz) a stabilnější ve srovnání s křemenným krystalem, takže je možno dosáhnout větší přesnosti. Objev principu atomových hodin položil základy pro novou definici času. Přesto se zpočátku setkal s odmítavou reakcí astronomů a pro novou definici bylo více kandidátů (ještě například vodík či thallium). Od roku 1967 je 1 sekunda oficiálně definována jako 9 192 631 770 kmitů atomů cesia. Do té doby byla charakterizována jako 1/86 400 středního slunečního dne. Koncem 20. století byla vylepšena jejich konstrukce (fontána zchlazených atomů), která dále umožnila zpřesnit jejich chod.

V současnosti se vyvíjejí optické hodiny (pracující na frekvenci THz) jejichž přesnost měření je již lepší, ale nejistota měření času být lepší nemůže (do přijetí nové definice jednotky času) v důsledku definice sekundy vázané na atomy cesia.

Cesiové atomové hodiny fungují na základě zpětnovazební smyčky. Základ tvoří krystalový oscilátor, jehož frekvence je elektronicky řízena. Tento krystalový oscilátor je připojen na vysílač radiových vln, nasměrovaný do komory s atomy cesia v plynné atmosféře. Když dojde ke shodě frekvence oscilátoru (a tedy i vysílače) s vnitřní rezonanční frekvencí atomů cesia, přejdou tyto do excitovaného stavu. Excitované atomy cesia reagují odlišně na magnetické pole než neexcitované, a z pomocí magnetů tedy dojde k jejich detekci. Dle množství excitovaných atomů cesia je možno ladit frekvenci krystalového oscilátoru, aby se shodovala s rezonanční frekvencí atomů cesia, tj. 9,192,631,770Hz.

Atomové hodiny se používají při kontrole jiných hodin a pro vědecké účely ve hvězdárnách, v laboratořích, ve vysokorychlostních letadlech pro sladění s navigačními signály na rádiové frekvenci (GPS).

Zdroj textu Wikipedie – Atomové hodiny


Atomová sekunda a atomové hodiny

Na základě mezinárodních dohod je sekunda jako jednotka času definována následovně:

Sekunda je 9 192 631 770 násobek doby periody záření, která odpovídá době přechodu mezi dvěma úrovněmi hyperjemné struktury základního stavu atomu nuklidu cesia-133.

Realizace jednotky času je podle této definice provedena pomocí césiových atomových hodin, které jsou zhotoveny průmyslově nebo jsou sestrojeny a provozovány pro největší nároky na přesnost ve výzkumných laboratořích. Na světě existuje jen asi deset exemplářů těch posledně zmíněných.

Atomové hodiny

Atomové hodiny pracují podle následujícího principu: Ve vytápěné peci se atomy 133Cs dostávají do dvou různých energetických stavů E1 a E2, z nichž jeden označíme symbolem (+) a druhý stav symbolem (-). Přechod atomu ze stavu (+) do stavu (-) můžže být vynucen, přičemžž je tento přechod spojen s vysíláním elektromagnetického záření charakteristické frekvence. Podle zákonů atomové fyziky je fCs rovna rozdílu energií stavů (+) a (-) dělené Planckovou konstantou h. V případě atomu césia má tato frekvence fCs hodnotu 9 192 631 770 Hz. U atomu césia je fCs daleko lépe časově konstantní (10-14) než např. doba kmitu kyvadla (10-5), doba periody oběhu Země (10-8), nebo frekvence kmitu krystalu křemene (10-11). Čas se tak stal veličinou, kterou umíme změřit s největší přesností. V blízké budoucnosti se podaří tuto přesnost alespoň o dva řády zvětšit.

Zdroj textu: Vše o Času


Koordinovaný univerzální čas – nástupce GMT

GMT (Greenwichský čas) se udával na základě rotace Země, UTC (Koordinovaný univerzální čas) je na rotaci nezávislý a je měřen právě pomocí atomových hodin. Otáčení Země se však velice mírně zpomaluje, proto je přesný čas UTC jednou za zhruba 12 až 18 měsíců pozměněn přestupnou minutou. Je totiž udržován s odchylkou do devíti desetin sekundy, pokud tuto hodnotu překročí, pak se o půlnoci posledního června nebo prosince přidá jedna přestupná sekunda. Tyto úpravy se provádí, aby byl takto stanovený čas pro lidi praktický, protože lidé jsou na rotaci Země závislí.

Zdroj textu: Přesný čas


Související články: Mysl a fenomén (ne)existence času,  Holografický model vesmíru

Diskuze







error: Obsah je chráněn autorským zákonem.