Astronomija (dodatno obrazovanje)_11. Astronomsko vrijeme i vremenske zone Pohranjivanje i prijenos tačnog vremena

Tačno vrijeme

Za mjerenje kratkih vremenskih perioda u astronomiji, osnovna jedinica je prosječno trajanje sunčevog dana, tj. prosječni vremenski interval između dvije gornje (ili donje) kulminacije centra Sunca. Mora se koristiti prosječna vrijednost jer dužina sunčanog dana lagano varira tokom cijele godine. To je zbog činjenice da se Zemlja vrti oko Sunca ne u krugu, već u elipsi, a brzina njenog kretanja se neznatno mijenja. To uzrokuje blage nepravilnosti u prividnom kretanju Sunca duž ekliptike tokom cijele godine.

Trenutak gornje kulminacije centra Sunca, kao što smo već rekli, naziva se pravo podne. Ali da biste provjerili sat, da biste odredili tačno vrijeme, nema potrebe da se na njemu tačno označi trenutak kulminacije Sunca. Pogodnije je i tačnije označiti trenutke kulminacije zvijezda, jer je razlika između trenutaka kulminacije bilo koje zvijezde i Sunca precizno poznata za svako vrijeme. Stoga, za određivanje tačnog vremena, uz pomoć posebnih optičkih instrumenata, obilježavaju trenutke kulminacija zvijezda i pomoću njih provjeravaju ispravnost sata koji "pohranjuje" vrijeme. Vrijeme određeno na ovaj način bilo bi apsolutno tačno kada bi se promatrana rotacija neba odvijala sa strogo konstantnom ugaonom brzinom. Međutim, pokazalo se da brzina rotacije Zemlje oko svoje ose, a samim tim i prividna rotacija nebeske sfere, doživljava vrlo male promjene tokom vremena. Stoga, da bi se "uštedilo" točno vrijeme, sada se koriste posebni atomski satovi, čiji tok kontroliraju oscilatorni procesi u atomima koji se odvijaju na konstantnoj frekvenciji. Satovi pojedinih opservatorija se provjeravaju u odnosu na signale atomskog vremena. Poređenje vremena određenog iz atomskih satova i prividnog kretanja zvijezda omogućava proučavanje nepravilnosti Zemljine rotacije.

Određivanje tačnog vremena, njegovo pohranjivanje i prenošenje putem radija cijelom stanovništvu zadatak je službe tačnog vremena koja postoji u mnogim zemljama.

Precizne vremenske signale putem radija primaju navigatori mornarice i vazduhoplovstva, te mnoge naučne i industrijske organizacije koje treba da znaju tačno vreme. Poznavanje tačnog vremena neophodno je, posebno, da bi se odredile geografske dužine različitih tačaka na površini zemlje.

Odbrojavanje vremena. Određivanje geografske dužine. Kalendar

Iz kursa fizičke geografije SSSR-a poznajete pojmove lokalnog, zonskog i porodiljskog vremena, kao i da je razlika u geografskoj dužini dvije tačke određena razlikom u lokalnom vremenu ovih tačaka. Ovaj problem se rješava astronomskim metodama primjenom promatranja zvijezda. Na osnovu određivanja tačnih koordinata pojedinih tačaka, vrši se kartiranje zemljine površine.

Za brojanje velikih vremenskih perioda ljudi su od davnina koristili trajanje ili lunarnog mjeseca ili solarne godine, tj. Trajanje Sunčeve revolucije duž ekliptike. Godina određuje učestalost sezonskih promjena. Solarna godina traje 365 solarnih dana, 5 sati 48 minuta 46 sekundi. Praktično je nesrazmjeran sa danom i dužinom lunarnog mjeseca - periodom promjene lunarnih faza (oko 29,5 dana). Ovo je teškoća stvaranja jednostavnog i praktičnog kalendara. Tokom vekovne istorije čovečanstva stvoreno je i korišćeno mnogo različitih kalendarskih sistema. Ali svi se mogu podijeliti u tri tipa: solarni, lunarni i lunisolarni. Južni pastoralni narodi obično su koristili lunarne mjesece. Godina koja se sastoji od 12 lunarnih mjeseci sadržavala je 355 solarnih dana. Da bi se uskladilo računanje vremena po Mjesecu i Suncu, bilo je potrebno uspostaviti 12 ili 13 mjeseci u godini i ubaciti dodatne dane u godinu. Solarni kalendar, koji se koristio u starom Egiptu, bio je jednostavniji i praktičniji. Trenutno, većina zemalja u svijetu također usvaja solarni kalendar, ali napredniji, koji se zove gregorijanski kalendar, o kojem se govori u nastavku.

Prilikom sastavljanja kalendara potrebno je voditi računa da trajanje kalendarske godine bude što bliže trajanju Sunčeve revolucije duž ekliptike i da kalendarska godina sadrži čitav broj solarnih dana, jer nezgodno je započeti godinu u različito doba dana.

Ove uslove je zadovoljio kalendar koji je razvio aleksandrijski astronom Sosigen i koji je uveden 46. pne. u Rimu Julija Cezara. Kasnije je, kao što znate iz kursa fizičke geografije, dobio naziv Julijanski ili stari stil. U ovom kalendaru godine se broje tri puta zaredom po 365 dana i nazivaju se jednostavnim, a godina koja slijedi je 366 dana. To se zove prestupna godina. Prijestupne godine u julijanskom kalendaru su one godine čiji su brojevi bez ostatka djeljivi sa 4.

Prosječna dužina godine prema ovom kalendaru je 365 dana i 6 sati, tj. to je otprilike 11 minuta duže od pravog. Zbog toga je stari stil zaostajao za stvarnim protokom vremena za oko 3 dana na svakih 400 godina.

U gregorijanskom kalendaru (novi stil), koji je uveden u SSSR-u 1918. i još ranije usvojen u većini zemalja, godine koje završavaju na dvije nule, s izuzetkom 1600, 2000, 2400, itd. (tj. oni čiji je broj stotina djeljiv sa 4 bez ostatka) ne smatraju se prijestupnim danima. Time se ispravlja greška od 3 dana, koja se akumulira preko 400 godina. Dakle, prosječna dužina godine u novom stilu ispada vrlo blizu periodu okretanja Zemlje oko Sunca.

Do 20. veka razlika između novog stila i starog (julijanskog) dostigla je 13 dana. Pošto je kod nas novi stil uveden tek 1918. godine, Oktobarska revolucija, izvedena 1917. godine 25. oktobra (stari stil), slavi se 7. novembra (novi stil).

Razlika između starog i novog stila od 13 dana ostaće iu 21., iu 22. veku. će se povećati na 14 dana.

Novi stil, naravno, nije potpuno tačan, ali greška od 1 dana će se akumulirati prema njemu tek nakon 3300 godina.

U opservatorijama postoje instrumenti uz pomoć kojih se na najprecizniji način određuje vrijeme - provjeravaju satove. Vrijeme je određeno pozicijom koju zauzimaju svjetiljke iznad horizonta. Kako bi satovi opservatorije radili što tačnije i ravnomjernije između večeri, kada se provjeravaju položajem zvijezda, satovi se postavljaju u duboke podrume. Takvi podrumi održavaju konstantnu temperaturu tijekom cijele godine. Ovo je veoma važno jer promene temperature utiču na sat.

Za prijenos preciznih vremenskih signala putem radija, opservatorija ima posebnu složenu satnu, električnu i radio opremu. Signali tačnog vremena koji se emituju iz Moskve su među najtačnijim na svetu. Određivanje tačnog vremena po zvijezdama, pohranjivanje vremena pomoću preciznih satova i prenošenje preko radija - sve to čini Vremensku službu.

GDJE RADE Astronomi

Astronomi se bave naučnim radom u opservatorijama i astronomskim institutima.

Potonji se uglavnom bave teorijskim istraživanjima.

Nakon Velike Oktobarske socijalističke revolucije u našoj zemlji, Institut za teorijsku astronomiju u Lenjingradu, Astronomski institut po imenu. P.K. Sternberga u Moskvi, astrofizičke opservatorije u Jermeniji, Gruziji i niz drugih astronomskih institucija.

Astronomi se školuju i obučavaju na univerzitetima na odsjecima za mehaniku i matematiku ili fiziku i matematiku.

Glavna opservatorija u našoj zemlji je Pulkovo. Izgrađena je 1839. godine u blizini Sankt Peterburga pod vodstvom najvećeg ruskog naučnika. U mnogim zemljama je s pravom nazivaju astronomskom prijestolnicom svijeta.

Opservatorija Simeiz na Krimu je u potpunosti obnovljena nakon Velikog otadžbinskog rata, a nedaleko od nje izgrađena je nova opservatorija u selu Partizanskoye kod Bahčisaraja, gde se nalazi najveći reflektujući teleskop u SSSR-u sa ogledalom prečnika 1 ¼ m. je sada ugrađen, a uskoro i reflektor sa ogledalom prečnika 2,6 m - treći po veličini na svetu. Obje opservatorije sada čine jednu instituciju - Krimsku astrofizičku opservatoriju Akademije nauka SSSR-a. Astronomske opservatorije postoje u Kazanju, Taškentu, Kijevu, Harkovu i drugim mestima.

Na svim opservatorijama obavljamo naučni rad po dogovorenom planu. Dostignuća astronomske nauke u našoj zemlji pomažu širokim slojevima radnih ljudi da razviju ispravno, naučno razumevanje sveta oko nas.

Mnoge astronomske opservatorije postoje u drugim zemljama. Od njih su najpoznatiji najstariji postojeći - Pariz i Greenwich, od čijeg se meridijana računaju geografske dužine na zemaljskoj kugli (ova opservatorija je nedavno premještena na novu lokaciju, dalje od Londona, gdje ima dosta smetnji za noćna posmatranja neba). Najveći teleskopi na svijetu postavljeni su u Kaliforniji na opservatorijama Mount Palomar, Mount Wilson i Lick. Poslednji od njih sagrađen je krajem 19. veka, a prva dva - već u 20. veku.

Svako astronomsko posmatranje mora biti popraćeno podacima o vremenu njegovog izvršenja. Preciznost trenutka u vremenu može varirati u zavisnosti od zahtjeva i svojstava posmatrane pojave. Na primjer, u običnim promatranjima meteora i promjenjivih zvijezda, sasvim je dovoljno znati trenutak s točnošću do minute. Posmatranja pomračenja Sunca, zatamnjivanja zvijezda Mjesecom, a posebno promatranja kretanja umjetnih Zemljinih satelita zahtijevaju obilježavanje momenata s tačnošću ne manjom od desetinke sekunde. Precizna astrometrijska zapažanja dnevne rotacije nebeske sfere primoravaju upotrebu posebnih metoda za snimanje trenutaka vremena sa tačnošću od 0,01 pa čak i 0,005 sekundi!

Stoga je jedan od glavnih zadataka praktične astronomije da dobije tačno vrijeme iz posmatranja, pohrani ga i prenese podatke o vremenu potrošačima.

Da bi pratili vrijeme, astronomi imaju vrlo precizne satove koje redovno provjeravaju određujući trenutke zvjezdanih kulminacija pomoću posebnih instrumenata. Prenos preciznih vremenskih signala preko radija omogućio im je da organizuju svetsku vremensku službu, odnosno da sve opservatorije koje se bave posmatranjem ove vrste povežu u jedan sistem.

Odgovornost Vremenske službe, pored emitovanja tačnih vremenskih signala, uključuje i prenos pojednostavljenih signala koji su dobro poznati svim radio slušaocima. To je šest kratkih signala, "tačkica", koje se daju prije početka novog sata. Trenutak posljednje "tačke", s točnošću stotinke sekunde, poklapa se s početkom novog sata. Ljubiteljima astronomije se savjetuje da koriste ove signale za provjeru svojih satova. Kada provjeravamo sat, ne treba ga resetirati, jer će to oštetiti mehanizam, a astronom mora voditi računa o svom satu, jer mu je to jedan od glavnih alata. Mora odrediti "korekciju sata" - razliku između tačnog vremena i njegovih očitanja. Ove ispravke treba sistematski utvrđivati ​​i zapisivati ​​u dnevnik posmatrača; Njihovo dalje proučavanje omogućit će da se utvrdi tok sata i dobro ih prouči.

Naravno, preporučljivo je imati najbolji mogući sat na raspolaganju. Šta treba shvatiti pod pojmom „dobar sat“?

Neophodno je da svoj napredak održavaju što je moguće preciznije. Uporedimo dva primjera običnih džepnih satova:

Pozitivan predznak korekcije znači da je za dobijanje tačnog vremena potrebno dodati korekciju očitavanju sata.

Dvije polovine tableta sadrže zapise o korekcijama sata. Oduzimanjem gornje od donje korekcije i dijeljenjem sa brojem dana koji su prošli između određivanja, dobijamo dnevni tok sata. Podaci o napretku su dati u istoj tabeli.

Zašto smo neke satove nazvali lošim, a druge dobrim? Za prvi sat, korekcija je blizu nule, ali se njena brzina neredovno mijenja. Kod drugog, korekcija je velika, ali hod je ujednačen. Prvi sat je pogodan za takva opažanja koja ne zahtijevaju vremenski žig precizniji od minute. Njihova očitavanja se ne mogu interpolirati, i moraju se provjeravati nekoliko puta noću.

Drugi, "dobar sat", pogodan je za složenija zapažanja. Naravno, korisno ih je češće provjeravati, ali možete interpolirati njihova očitanja za međutrenutke. Pokažimo to na primjeru. Pretpostavimo da je zapažanje izvršeno 5. novembra u 23:32:46. prema našem satu. Provjera sata obavljena u 17:00 4. novembra dala je korekciju od +2 m 15 s. Dnevna varijacija, kao što se vidi iz tabele, iznosi +5,7 s. Od 17:00 4. novembra do momenta posmatranja prošlo je 1 dan i 6,5 sati ili 1,27 dana. Množenjem ovog broja dnevnim ciklusom dobijamo +7,2 s. Dakle, korekcija sata u trenutku posmatranja nije bila jednaka 2 m. 15 s., već +2 m. 22 s. To dodajemo trenutku posmatranja. Dakle, zapažanje je izvršeno 5. novembra u 23:35:80.

Dobijanjem trenutaka u vremenu rješava se samo prvi zadatak vremenske usluge. Sljedeći zadatak je pohranjivanje tačnog vremena u intervalima između njegovih astronomskih određenja. Ovaj problem se rješava uz pomoć astronomskih satova.

Za postizanje visoke preciznosti u mjerenju vremena, pri proizvodnji astronomskih satova, uzimaju se u obzir i otklanjaju svi izvori grešaka kad god je to moguće, te se stvaraju najpovoljniji uslovi za njihov rad.

Najvažniji dio sata je klatno. Opruge i kotači služe kao prijenosni mehanizam, strelice služe kao indikatori, a klatno mjeri vrijeme. Stoga se u astronomskim satovima trude da stvore što bolje uslove za njegov rad: da sobnu temperaturu učine konstantnom, da eliminišu udare, da oslabe otpor vazduha i, konačno, da mehaničko opterećenje budu što manji.

Kako bi se osigurala visoka tačnost, astronomski sat je smješten u dubokom podrumu, zaštićen od udaraca, u prostoriji se održava konstantna temperatura tijekom cijele godine. Da bi se smanjio otpor vazduha i eliminisao uticaj promena atmosferskog pritiska, satno klatno se postavlja u kućište u kome je pritisak vazduha blago smanjen (Sl. 20).

Astronomski sat sa dva klatna (Shortov sat) ima veoma visoku tačnost, od kojih je jedno - neslobodno, ili "robo" - povezano sa transmisijskim i pokaznim mehanizmima, a samim sobom upravlja drugo - slobodno klatno, nije povezan ni sa jednim točkovima ili oprugama (Sl. 21).

Slobodno klatno se nalazi u dubokom podrumu u metalnom kućištu. Ovaj slučaj stvara smanjeni pritisak. Veza između slobodnog klatna i neslobodnog vrši se preko dva mala elektromagneta, u blizini kojih se njiše. Slobodno klatno kontroliše „robo“ klatno, prisiljavajući ga da se ljulja u skladu sa samim sobom.

Moguće je postići vrlo malu grešku u očitavanju sata, ali se ona ne može potpuno eliminirati. Međutim, ako sat ne radi kako treba, ali je unaprijed poznato da žuri ili zaostaje za određeni broj sekundi dnevno, onda nije teško izračunati tačno vrijeme koristeći tako netačan sat. Da biste to učinili, dovoljno je znati koliko je sat brz, odnosno koliko sekundi dnevno je brz ili zaostao. Tokom mjeseci i godina, tabele korekcija se sastavljaju za datu instancu astronomskog sata. Kazaljke astronomskih satova gotovo nikada ne pokazuju tačno vrijeme, ali uz pomoć tabela korekcije sasvim je moguće dobiti vremenske oznake s točnošću od hiljaditih dijelova sekunde.

Nažalost, takt ne ostaje konstantan. Kada se promijene vanjski uvjeti - sobna temperatura i tlak zraka - zbog uvijek postojeće nepreciznosti u izradi dijelova i radu pojedinih dijelova, isti sat može vremenom promijeniti svoj tok. Promjena, odnosno varijacija u toku sata je glavni pokazatelj kvaliteta njegovog rada. Što je manje varijacija u taktu, to je sat bolji.

Dakle, dobar astronomski sat može biti prebrz i presporo, može trčati unaprijed ili kasniti čak i desetinke sekunde dnevno, a ipak uz njegovu pomoć može pouzdano držati vrijeme i dobiti prilično precizna očitanja, ako je samo priroda svog ponašanja je konstantna, tj. dnevna varijacija kursa je mala.

U astronomskom satu Shortovog klatna, dnevna varijacija brzine je 0,001-0,003 sec. Dugo vremena je tako visoka tačnost ostala neprevaziđena. Pedesetih godina našeg veka inženjer F. M. Fedčenko je poboljšao ogibljenje klatna i poboljšao njegovu termičku kompenzaciju. To mu je omogućilo da dizajnira sat u kojem je dnevna varijacija stope smanjena na 0,0002-0,0003 sekunde.

Posljednjih godina dizajnom astronomskih satova nisu se bavili mehaničari, već električari i radio-inženjeri. Napravili su sat u kojem su umjesto oscilacija klatna korišćene elastične vibracije kristala kvarca za mjerenje vremena.

Ploča izrezana na odgovarajući način od kvarcnog kristala ima zanimljiva svojstva. Ako se takva ploča, nazvana piezokvarc, sabije ili savije, tada se na njenim suprotnim površinama pojavljuju električni naboji različitih znakova. Ako se naizmjenična električna struja dovodi na suprotne površine piezokvarcne ploče, piezokvarc oscilira. Što je prigušenje oscilirajućeg uređaja niže, frekvencija oscilovanja je konstantnija. Piezoquartz ima izuzetno dobra svojstva u tom pogledu, jer je prigušenje njegovih vibracija vrlo malo. Ovo se široko koristi u radiotehnici za održavanje konstantne frekvencije radio predajnika. Ista osobina piezokvarca - visoka konstantnost frekvencije oscilovanja - omogućila je konstruisanje vrlo tačnih astronomskih kvarcnih satova.

Kvarcni sat (slika 22) sastoji se od radio oscilatora stabiliziranog piezoelektričnim kvarcom, kaskada s podjelom frekvencije, sinhronog elektromotora i brojčanika sa strelicama.

Radio generator proizvodi naizmjeničnu struju visoke frekvencije, a piezoelektrični kvarc održava konstantnu frekvenciju svojih oscilacija s velikom preciznošću. U kaskadama frekvencijske podjele, frekvencija naizmjenične struje se smanjuje sa nekoliko stotina hiljada na nekoliko stotina vibracija u sekundi. Sinhroni elektromotor koji radi na niskofrekventnoj naizmjeničnoj struji rotira strelice pokazivača, zatvara releje koji daju vremenske signale itd.

Brzina rotacije sinhronog elektromotora ovisi o frekvenciji naizmjenične struje kojom se napaja. Dakle, u kvarcnom satu, brzina rotacije kazaljki na kraju je određena frekvencijom oscilovanja piezokvarca. Visoka konstantnost frekvencije oscilacije kvarcne ploče osigurava ravnomjerno kretanje i visoku preciznost očitavanja kvarcnih astronomskih satova.

Trenutno se proizvode kvarcni satovi različitih vrsta i namjena s dnevnim varijacijom brzine koja ne prelazi stotinke, pa čak i tisućinke sekunde.

Prvi dizajn kvarcnih satova bio je prilično glomazan. Uostalom, prirodna frekvencija oscilacije kvarcne ploče je relativno visoka, a za brojanje sekundi i minuta potrebno ju je smanjiti nizom kaskada s podjelom frekvencije. U međuvremenu, cijevni radio uređaji koji se koriste za ovo zauzimaju puno prostora. Poslednjih decenija poluprovodnička radio tehnologija se brzo razvija i na njenoj osnovi se razvija minijaturna i mikrominijaturna radio oprema. To je omogućilo izradu malih prijenosnih kvarcnih satova za pomorsku i zračnu navigaciju, kao i za razne ekspedicione radove. Ovi prijenosni kvarcni hronometri nisu veći po veličini i težini od konvencionalnih mehaničkih hronometara.

Međutim, ako mehanički brodski hronometar druge klase ima dnevnu grešku brzine ne veću od ±0,4 sec, a prve klase - ne veću od ±0,2 s, onda moderni kvarcni prijenosni hronometri imaju dnevnu nestabilnost brzine od ±0,1 ; ±0,01 pa čak ±0,001 sek.

Na primjer, Chronotome proizveden u Švicarskoj ima dimenzije 245X137X100 mm, a nestabilnost njegovog kretanja dnevno ne prelazi ±0,02 sec. Stacionarni kvarcni hronometar "Izotom" ima dugotrajnu relativnu nestabilnost ne veću od 10 -8, odnosno dnevna greška varijacije je oko ±0,001 sec.

Međutim, kvarcni satovi nisu bez ozbiljnih nedostataka, čije je prisustvo neophodno za visoko precizna astronomska mjerenja. Glavni nedostaci kvarcnih astronomskih satova su ovisnost frekvencije kvarcnih oscilacija o temperaturi okoline i „starenje kvarca“, odnosno promjena njegove frekvencije oscilovanja tokom vremena. Prvi nedostatak je prevladan pažljivim termostatiranjem dijela sata u kojem se nalazi kvarcna ploča. Starenje kvarca, koje dovodi do sporog pomeranja sata, još nije otklonjeno.

"molekularni sat"

Da li je moguće napraviti uređaj za mjerenje vremenskih intervala koji ima veću tačnost od klatnih i kvarcnih astronomskih satova?

U potrazi za odgovarajućim metodama za to, naučnici su se okrenuli sistemima u kojima se javljaju molekularne vibracije. Ovaj izbor, naravno, nije bio slučajan i upravo je to predodredilo dalje uspjehe. „Molekularni satovi“ su prvi omogućili povećanje tačnosti mjerenja vremena za hiljade, pa čak i stotine hiljada puta. Međutim, put od molekula do indikatora vremena pokazao se složenim i vrlo teškim.

Zašto nije bilo moguće poboljšati tačnost astronomskih satova sa klatnom i kvarcnim satom? Kako su molekuli bili bolji od klatna i kvarcnih ploča u mjerenju vremena? Koji su principi rada i struktura molekularnih satova?

Podsjetimo da se svaki sat sastoji od bloka u kojem se javljaju periodične oscilacije, mehanizma za brojanje za brojanje njihovog broja i uređaja u kojem se pohranjuje energija potrebna za njihovo održavanje. Međutim, tačnost očitavanja sata je uglavnom zavisi od stabilnosti rada tog elementa, koji mjeri vrijeme.

Da bi se povećala tačnost astronomskih satova sa klatnom, njihovo klatno je napravljeno od posebne legure sa minimalnim koeficijentom toplotnog širenja, postavljeno u termostat, okačeno na poseban način, smešteno u posudu iz koje se ispumpava vazduh itd. poznato je da su sve ove mjere omogućile smanjenje varijacija u kretanju astronomskih satova sa klatnom do hiljaditih dijelova sekunde dnevno. Međutim, postupno habanje pokretnih i trljajućih dijelova, spore i nepovratne promjene u konstrukcijskim materijalima, općenito, „starenje“ takvih satova nije omogućilo daljnje poboljšanje njihove točnosti.

U astronomskom kvarcnom satu vrijeme se mjeri oscilatorom stabiliziranim kvarcom, a tačnost očitavanja ovih satova određena je konstantnošću frekvencije oscilovanja kvarcne ploče. Vremenom dolazi do nepovratnih promjena na kvarcnoj ploči i električnim kontaktima povezanim s njom. Tako ovaj glavni element kvarcnog sata „stari“. U ovom slučaju, frekvencija oscilacije kvarcne ploče se neznatno mijenja. To je razlog nestabilnosti ovakvih satova i ograničava dalje povećanje njihove tačnosti.

Molekularni satovi su dizajnirani na takav način da su njihova očitavanja u konačnici određena frekvencijom elektromagnetnih vibracija koje apsorbiraju i emituju molekuli. U međuvremenu, atomi i molekuli apsorbiraju i emituju energiju samo povremeno, samo u određenim dijelovima, koji se nazivaju energetski kvanti. Ovi procesi su trenutno predstavljeni na sljedeći način: kada je atom u normalnom (nepobuđenom) stanju, njegovi elektroni zauzimaju niže energetske razine i nalaze se na najbližoj udaljenosti od jezgra. Ako atomi apsorbiraju energiju, poput svjetlosti, njihovi elektroni skaču na nove položaje i nalaze se nešto dalje od svojih jezgara.

Označimo energiju atoma koja odgovara najnižem položaju elektrona sa E, a energiju koja odgovara njegovom daljem položaju od jezgra sa E 2 . Kada atomi, emitujući elektromagnetne vibracije (na primjer, svjetlost), pređu iz pobuđenog stanja s energijom E 2 u nepobuđeno stanje s energijom E 1, tada je emitirani dio elektromagnetske energije jednak ε = E 2 -E 1. Lako je vidjeti da gornji odnos nije ništa drugo nego jedan od izraza zakona održanja energije.

U međuvremenu, poznato je da je energija kvanta svjetlosti proporcionalna njegovoj frekvenciji: ε = hv, gdje je ε energija elektromagnetnih oscilacija, v je njihova frekvencija, h = 6,62*10 -27 erg*sec je Plankova konstanta. Iz ova dva odnosa nije teško pronaći frekvenciju v svjetlosti koju emituje atom. Očigledno je da je v = (E 2 - E 1)/h sec -1

Svaki atom date vrste (na primjer, vodonik, kisik, itd.) ima svoje energetske nivoe. Dakle, svaki pobuđeni atom, pri prelasku u niža stanja, emituje elektromagnetske vibracije sa vrlo specifičnim skupom frekvencija, odnosno daje samo njemu svojstven sjaj. Potpuno ista situacija je i sa molekulama, s jedinom razlikom što one imaju niz dodatnih energetskih nivoa povezanih s različitim rasporedom čestica koje ih čine i njihovim međusobnim kretanjem,

Dakle, atomi i molekuli su sposobni da apsorbuju i emituju elektromagnetne vibracije samo ograničene frekvencije. Stabilnost s kojom nuklearni sistemi to rade je izuzetno visoka. Milijarde puta je veća od stabilnosti bilo kojih makroskopskih uređaja koji percipiraju ili zrače određene vrste vibracija, na primjer, žice, tuning viljuške, mikrofoni, itd. To se objašnjava činjenicom da u bilo kojem makroskopskom uređaju, na primjer, strojevi , mjerni instrumenti itd., sile koje osiguravaju njihovu stabilnost su u većini slučajeva samo desetine ili stotine puta veće od vanjskih sila. Stoga se vremenom i kako se vanjski uvjeti mijenjaju, svojstva takvih uređaja donekle mijenjaju. Zbog toga muzičari moraju tako često da štimuju svoje violine i klavire. Naprotiv, u mikrosistemima, na primjer, atomima i molekulama, između čestica koje ih sačinjavaju djeluju tako jake sile da su obični vanjski utjecaji mnogo manji po veličini. Stoga, uobičajene promjene vanjskih uvjeta – temperature, tlaka, itd. – ne izazivaju nikakve primjetne promjene unutar ovih mikrosistema.

Ovo objašnjava tako visoku tačnost spektralne analize i mnogih drugih metoda i instrumenata zasnovanih na upotrebi atomskih i molekularnih vibracija. To je ono što čini upotrebu ovih kvantnih sistema kao glavnog elementa u astronomskim satovima tako privlačnom. Uostalom, takvi mikrosistemi ne mijenjaju svoja svojstva tokom vremena, odnosno ne “stare”.

Kada su inženjeri počeli da konstruišu molekularne satove, metode za pobuđivanje atomskih i molekularnih vibracija već su bile dobro poznate. Jedna od njih je da se visokofrekventne elektromagnetne oscilacije primjenjuju na posudu napunjenu određenim plinom. Ako frekvencija ovih oscilacija odgovara energiji pobude ovih čestica, tada dolazi do rezonantne apsorpcije elektromagnetne energije. Nakon nekog vremena (manje od milionitog dijela sekunde), pobuđene čestice (atomi i molekuli) spontano prelaze iz pobuđenog stanja u normalno stanje i istovremeno emituju kvante elektromagnetne energije.

Čini se da bi sledeći korak u konstruisanju takvog sata trebalo da bude prebrojavanje broja ovih oscilacija, pošto se broj zamaha klatna broji u satu klatna. Međutim, takav direktan, "frontalni" put pokazao se pretežkim. Činjenica je da je frekvencija elektromagnetnih vibracija koje emituju molekuli vrlo visoka. Na primjer, u molekulu amonijaka za jedan od glavnih prelaza iznosi 23,870,129,000 perioda u sekundi. Frekvencija elektromagnetnih vibracija koje emituju različiti atomi može biti istog reda veličine ili čak i veća. Nijedan mehanički uređaj nije prikladan za brojanje takvih visokofrekventnih oscilacija. Štoviše, konvencionalni elektronički uređaji su se također pokazali neprikladnima za to.

Izlaz iz ove poteškoće pronađen je uz pomoć genijalnog rješenja. Gas amonijak je stavljen u dugu metalnu cijev (talasovod). Radi lakšeg rukovanja, ova cijev je namotana. Visokofrekventne elektromagnetne oscilacije dovođene su na jedan kraj ove cijevi iz generatora, a na drugom kraju je ugrađen uređaj koji je mjerio njihov intenzitet. Generator je omogućio, u određenim granicama, da promijeni frekvenciju elektromagnetnih oscilacija koje je pobuđivao.

Za prijelaz molekula amonijaka iz nepobuđenog u pobuđeno stanje potrebna je dobro definirana energija i, shodno tome, dobro definirana frekvencija elektromagnetskih oscilacija (ε = hv, gdje je ε kvantna energija, v frekvencija elektromagnetne oscilacije, h je Plankova konstanta). Sve dok je frekvencija elektromagnetnih oscilacija koje generiše generator veća ili manja od ove rezonantne frekvencije, molekuli amonijaka ne apsorbuju energiju. Kada se ove frekvencije poklope, značajan broj molekula amonijaka apsorbira elektromagnetnu energiju i ulazi u pobuđeno stanje. Naravno, u ovom slučaju (zbog zakona održanja energije) na kraju valovoda gdje je ugrađen mjerni uređaj, intenzitet elektromagnetskih oscilacija se pokazuje manjim. Ako glatko promijenite frekvenciju generatora i snimite očitanja mjernog uređaja, tada se na rezonantnoj frekvenciji otkriva pad u intenzitetu elektromagnetskih oscilacija.

Sljedeći korak u izgradnji molekularnog sata je upravo korištenje ovog efekta. U tu svrhu sastavljen je poseban uređaj (Sl. 23). U njemu, visokofrekventni generator opremljen napajanjem proizvodi visokofrekventne elektromagnetne oscilacije. Da bi se povećala konstantnost frekvencije ovih oscilacija, generator se stabilizuje. koristeći piezokvarc. U postojećim uređajima ovog tipa, frekvencija oscilovanja visokofrekventnog generatora je odabrana jednaka nekoliko stotina hiljada ciklusa u sekundi u skladu sa prirodnom frekvencijom oscilovanja kvarcnih ploča koje se koriste u njima.

Rice. 23. Šema "molekularnog sata"

Kako je ova frekvencija previsoka da bi se direktno upravljalo bilo kojim mehaničkim uređajem, uz pomoć jedinice za podjelu frekvencije ona se smanjuje na nekoliko stotina oscilacija u sekundi i tek nakon toga se napaja signalnim relejima i sinkronom elektromotoru koji rotira strelice pokazivača. koji se nalazi na brojčaniku sata. Dakle, ovaj dio molekularnog sata ponavlja dizajn prethodno opisanog kvarcnog sata.

Da bi se pobuđivali molekuli amonijaka, dio elektromagnetnih oscilacija koje generiše visokofrekventni generator dovodi se u množitelj frekvencije naizmjenične struje (vidi sliku 23). Faktor množenja frekvencije u njemu je odabran tako da ga dovede do rezonancije. Iz izlaza množitelja frekvencije, elektromagnetne oscilacije se dovode u valovod s plinom amonijaka. Uređaj koji se nalazi na izlazu talasovoda, diskriminator, bilježi intenzitet elektromagnetskih oscilacija koje prolaze kroz valovod i djeluje na visokofrekventni generator, mijenjajući frekvenciju oscilacija koje pobuđuje. Diskriminator je projektovan tako da kada na ulaz talasovoda stignu oscilacije sa frekvencijom ispod rezonantne frekvencije, podešava generator, povećavajući frekvenciju njegovih oscilacija. Ako ulaz valovoda prima oscilacije s frekvencijom većom od rezonantne, tada se smanjuje frekvencija generatora. U ovom slučaju, podešavanje rezonancije postaje preciznije, što je kriva apsorpcije strmija. Stoga je poželjno da pad intenziteta elektromagnetskih oscilacija, zbog rezonantne apsorpcije njihove energije od strane molekula, bude što uži i dublji.

Svi ovi međusobno povezani uređaji - generator, multiplikator, valovod s plinom amonijaka i diskriminator - predstavljaju povratno kolo u kojem se molekule amonijaka pobuđuju od strane generatora i istovremeno njime upravljaju, uzrokujući oscilacije željene frekvencije. . Dakle, molekularni sat na kraju koristi molekule amonijaka kao standard frekvencije i vremena. U prvom molekularnom amonijačnom satu, koji je na ovom principu razvio G. Lyons 1953. godine, nestabilnost je bila oko 10 -7, tj. promjena frekvencije nije prelazila desetmilioniti dio. Nakon toga, nestabilnost je smanjena na 10 -8, što odgovara pogrešci u mjerenju vremenskih intervala od 1 sekunde tokom nekoliko godina.

Općenito, ovo je, naravno, odlična preciznost. Međutim, pokazalo se da se u konstruiranom uređaju kriva apsorpcije elektromagnetne energije pokazala daleko od oštre kako se očekivalo, već prilično „razmazana“. Shodno tome, ispostavilo se da je tačnost cijelog uređaja znatno niža od očekivane. Pažljiva istraživanja ovih molekularnih satova obavljena u narednim godinama otkrila su da njihova očitavanja u određenoj mjeri zavise od dizajna valovoda, kao i od temperature i pritiska plina u njemu. Utvrđeno je da su ovi efekti izvori nestabilnosti u radu ovakvih satova i ograničavaju njihovu točnost.

Nakon toga, ovi defekti u molekularnom satu nisu mogli biti potpuno eliminisani. Međutim, bilo je moguće doći do drugih, naprednijih tipova kvantnih mjerača vremena.

Atomski cezijum sat

Dalja poboljšanja standarda frekvencije i vremena postignuta su na osnovu jasnog razumijevanja uzroka nedostataka molekularnog sata amonijaka. Podsjetimo da su glavni nedostaci molekularnih satova amonijaka određeno „razmazivanje“ krivulje rezonantne apsorpcije i ovisnost performansi ovih satova o temperaturi i pritisku plina u valovodu.

Koji su uzroci ovih nedostataka? Da li ih je moguće eliminisati? Pokazalo se da do razmazivanja rezonancije dolazi kao rezultat toplinskog kretanja čestica plina koje ispunjavaju valovod. Na kraju krajeva, neke od čestica plina kreću se prema elektromagnetnom valu i stoga je njihova frekvencija oscilacija nešto viša od one koju daje generator. Druge čestice gasa, naprotiv, kreću se od nadolazećeg elektromagnetnog talasa, kao da beže od njega; za njih je frekvencija elektromagnetnih oscilacija nešto niža od nominalne. Samo za relativno mali broj stacionarnih čestica gasa, frekvencija elektromagnetnih oscilacija koje oni opažaju jednaka je nominalnoj, tj. koju daje generator.

Opisani fenomen je dobro poznati longitudinalni Doplerov efekat. Upravo to dovodi do toga da je rezonantna kriva izravnana i razmazana te se otkriva ovisnost jačine struje na izlazu valovoda o brzini kretanja čestica plina, tj. na temperaturi gasa.

Grupa naučnika iz američkog Biroa za standarde uspela je da prevaziđe ove poteškoće. Međutim, ono što su uradili je, općenito, novi i mnogo precizniji standard frekvencije i vremena, iako je koristio neke već poznate stvari.

Ovaj uređaj više ne koristi molekule, već atome. Ovi atomi ne pune samo posudu, već se kreću u snopu. Štaviše, smjer njihovog kretanja je okomit na smjer širenja elektromagnetnog vala. Lako je shvatiti da u ovom slučaju nema longitudinalnog Doplerovog efekta. Uređaj koristi atome cezijuma, čije se pobuđivanje dešava na frekvenciji elektromagnetnih oscilacija jednakoj 9.192.631.831 perioda u sekundi.

Odgovarajući uređaj je montiran u cijev na čijem se jednom kraju nalazi električna peć 1 koja zagrijava metalni cezijum dok ne ispari, a na drugom kraju nalazi se detektor 6 koji broji broj atoma cezijuma koji su dosegli to (Sl. 24). Između njih su: prvi magnet 2, talasovod 3, koji napaja visokofrekventne elektromagnetne oscilacije, kolimator 4 i drugi magnet 5. Kada se peć uključi, metalne pare izbijaju u cev kroz prorez i uski snop atoma cezijuma leti duž svoje ose, a usput je izložena magnetnim poljima.polja stvorena trajnim magnetima i visokofrekventnim elektromagnetnim poljem dovođenim pomoću talasovoda od generatora do cevi tako da je pravac prostiranja talasa okomit u pravcu leta čestica.

Takav uređaj nam omogućava da riješimo prvi dio problema: pobuditi atome, odnosno prebaciti ih iz jednog stanja u drugo, a istovremeno izbjeći longitudinalni Doplerov efekat. Ako bi se istraživači ograničili samo na ovo poboljšanje, tada bi se preciznost uređaja povećala, ali ne mnogo. Zaista, u snopu atoma koji se emituje iz zagrijanog izvora, uvijek postoje nepobuđeni i pobuđeni atomi. Dakle, kada atomi emitovani iz izvora lete kroz elektromagnetno polje i pobuđuju se, već postojećim pobuđenim atomima dodaje se određeni broj pobuđenih atoma. Dakle, promjena broja pobuđenih atoma relativno nije velika i, posljedično, učinak djelovanja elektromagnetnih valova na snop čestica nije jako oštar. Jasno je da ako u početku uopće nije bilo pobuđenih atoma, a onda su se pojavili, onda bi ukupni učinak bio mnogo kontrastniji.

Dakle, javlja se dodatni zadatak: u području od izvora do elektromagnetnog polja propustiti atome koji su u normalnom stanju i ukloniti pobuđene. Da bi se riješio ovaj problem, nije bilo potrebno izmišljati ništa novo, budući da su još četrdesetih godina našeg stoljeća rabin, a potom i Ramsay razvili odgovarajuće metode za spektroskopske studije. Ove metode se zasnivaju na činjenici da svi atomi i molekuli imaju određena električna i magnetska svojstva, a ta svojstva su različita za pobuđene i nepobuđene čestice. Stoga se u električnim i magnetskim poljima pobuđeni i nepobuđeni atomi i molekuli različito odbijaju.

U opisanom atomskom satu cezijuma, na putu snopa čestica između izvora i visokofrekventnog elektromagnetnog polja, ugrađen je permanentni magnet 2 (vidi sliku 24) tako da su nepobuđene čestice fokusirane na prorez kolimatora, a pobuđene čestice su uklonjeni sa grede. Drugi magnet 5, koji stoji između visokofrekventnog elektromagnetnog polja i detektora, naprotiv, postavljen je tako da su nepobuđene čestice uklonjene iz snopa, a samo pobuđene fokusirane na detektor. Ovo dvostruko razdvajanje dovodi do toga da do detektora dospiju samo one čestice koje su bile nepobuđene prije ulaska u elektromagnetno polje, a zatim su postale pobuđene u ovom polju. U ovom slučaju, ovisnost očitavanja detektora o frekvenciji elektromagnetskih oscilacija pokazuje se vrlo oštrom i, shodno tome, krivulja rezonantne apsorpcije elektromagnetske energije postaje vrlo uska i strma.

Kao rezultat opisanih mjera pokazalo se da je glavni blok atomskog sata cezijuma sposoban da odgovori i na vrlo malo depodešavanje visokofrekventnog oscilatora, čime je postignuta vrlo visoka tačnost stabilizacije.

Ostatak uređaja, općenito, ponavlja shematski dijagram molekularnog sata: visokofrekventni generator kontrolira električni sat i istovremeno pobuđuje čestice kroz krugove za množenje frekvencije. Diskriminator spojen na cezijevu cijev i visokofrekventni generator reagira na rad cijevi i podešava generator tako da se frekvencija oscilacija koje proizvodi poklapa sa frekvencijom na kojoj su čestice pobuđene.

Cijeli ovaj uređaj se zove atomski sat cezijuma.

U prvim modelima cezijumskih satova (na primer, cezijum sat Nacionalne fizičke laboratorije Engleske), nestabilnost je bila samo 1-9 . Kod uređaja ovog tipa, razvijenih i izgrađenih posljednjih godina, nestabilnost je smanjena na 10 -12 -10 -13.

Već je ranije rečeno da čak i najbolji mehanički astronomski satovi, zbog istrošenosti svojih dijelova, vremenom donekle mijenjaju hod. Čak ni kvarcni astronomski satovi nisu bez ovog nedostatka, jer zbog starenja kvarca njihova očitanja polako pomjeraju. U atomskim satovima cezijuma nije detektovan nikakav pomak frekvencije.

Kada se međusobno upoređuju različite kopije ovih satova, došlo je do podudarnosti u frekvenciji njihovih oscilacija unutar ±3 * 10 -12, što odgovara grešci od samo 1 sekunde u 10.000 godina.

Međutim, ovaj uređaj nije bez nedostataka: izobličenja u obliku elektromagnetnog polja i relativno kratko trajanje njegovog djelovanja na atome granice snopa dodatno povećavaju tačnost mjerenja vremenskih intervala korištenjem ovakvih sistema.

Astronomski sat sa kvantnim generatorom

Korištenjem je napravljen još jedan korak ka povećanju tačnosti mjerenja vremenskih intervala molekularni generatori- uređaji u kojima se koristi emisija elektromagnetnih talasa od strane molekula.

Ovo otkriće bilo je neočekivano i prirodno. Neočekivano - jer se činilo da su mogućnosti starih metoda iscrpljene, ali drugih nije bilo. Prirodno – jer su brojni poznati efekti već činili gotovo sve dijelove nove metode i preostalo je samo da se ti dijelovi pravilno kombinuju. Međutim, nova kombinacija poznatih stvari je suština mnogih otkrića. Uvijek je potrebno mnogo hrabrosti da se to smisli. Često, kada se to učini, sve izgleda vrlo jednostavno.

Instrumenti koji koriste molekularno zračenje za dobijanje standarda frekvencije nazivaju se maseri; ova reč je nastala od početnih slova izraza: mikrotalasno pojačanje stimulisanom emisijom zračenja, odnosno pojačanje radio talasa u centimetarskom opsegu korišćenjem indukovanog zračenja. Trenutno se uređaji ovog tipa najčešće nazivaju kvantni pojačivači ili kvantni generatori.

Šta je pripremilo otkriće kvantnog generatora? Koji su njeni principi rada i struktura?

Istraživači su znali da kada se pobuđeni molekuli, kao što su molekuli amonijaka, pomaknu na niže energetske nivoe i emituju elektromagnetno zračenje, prirodna širina ovih emisionih linija je izuzetno mala, u svakom slučaju, mnogo puta manji od širine apsorpcione linije koja se koristi u molekularnim satovima. U međuvremenu, kada se uporede frekvencije dvije oscilacije, oštrina rezonantne krive ovisi o širini spektralnih linija, a dostižna tačnost stabilizacije ovisi o oštrini rezonantne krive.

Jasno je da su istraživači bili izuzetno zainteresovani za mogućnost postizanja veće tačnosti u merenju vremenskih intervala korišćenjem ne samo apsorpcije, već i emisije elektromagnetnih talasa od strane molekula. Čini se da sve za ovo već postoji. Zaista, u talasovodu molekularnog sata, pobuđeni molekuli amonijaka spontano emituju svetlost, odnosno kreću se na niže energetske nivoe i istovremeno emituju elektromagnetno zračenje sa frekvencijom od 23.870.129.000 ciklusa u sekundi. Širina ove spektralne emisione linije je zaista vrlo mala. Osim toga, budući da je valovod molekularnog sata ispunjen elektromagnetnim oscilacijama koje se napajaju iz generatora, a frekvencija tih oscilacija jednaka je frekvenciji energetskih kvanta koje emituju molekule amonijaka, tada se u valovodu javlja inducirano emisija pobuđenih molekula amonijaka, čija je vjerovatnoća mnogo veća od spontane emisije. Dakle, ovaj proces povećava ukupan broj događaja zračenja.

Međutim, pokazalo se da je sistem kao što je talasovod molekularnog sata potpuno neprikladan za posmatranje i korišćenje molekularnog zračenja. Doista, u takvom valovodu ima mnogo više nepobuđenih čestica amonijaka nego pobuđenih, pa čak i uzimajući u obzir induciranu radijaciju, činovi apsorpcije elektromagnetske energije javljaju se mnogo češće nego akti emisije. Osim toga, nejasno je kako izolirati kvante energije koje emituju molekuli u takvom valovodu kada je isti volumen ispunjen elektromagnetnim zračenjem iz generatora, a ovo zračenje ima istu frekvenciju i mnogo veći intenzitet.

Nije li istina da su svi procesi toliko pomiješani da je na prvi pogled nemoguće izdvojiti pravi od njih? Međutim, nije. Uostalom, poznato je da se pobuđene molekule razlikuju po svojim električnim i magnetskim svojstvima od nepobuđenih, što ih čini mogućim.

Godine 1954-1955 ovaj problem su briljantno riješili N. G. Basov i A. M. Prokhorov u SSSR-u i Gordon, Zeiger i Townes u SAD*. Ovi autori su iskoristili činjenicu da je električno stanje pobuđenih i nepobuđenih molekula amonijaka donekle različito i da se pri letenju kroz neujednačeno električno polje različito odbijaju.

* (J. Singer, Mazery, IL, M., 1961; Basov N. G., Letokhov V. S., Optički standardi frekvencije, UFN, tom 96, br. 4, 1968.)

Podsjetimo da se jednolično električno polje stvara između dvije električno nabijene paralelne ploče, na primjer ploča kondenzatora; između nabijene ploče i tačke ili dvije nabijene tačke - nehomogeno. Ako su električna polja predstavljena pomoću linija sile, onda su homogena polja predstavljena linijama jednake gustoće, a nehomogena polja su predstavljena linijama nejednake gustoće, na primjer, manje u ravni i veće na vrhu, gdje se linije konvergiraju. Metode za proizvodnju neujednačenih električnih polja ovog ili onog oblika odavno su poznate.

Molekularni generator je kombinacija izvora molekula, električnog separatora i rezonatora, sastavljenih u cijev iz koje se ispumpava zrak. Za duboko hlađenje, ova cijev se stavlja u tečni dušik. Time se postiže visoka stabilnost cijelog uređaja. Izvor čestica u molekularnom generatoru je boca s uskim otvorom napunjena plinovitim amonijakom. Kroz ovu rupu uski snop čestica ulazi u cijev određenom brzinom (slika 25, a).

Snop uvijek sadrži nepobuđene i pobuđene molekule amonijaka. Međutim, obično je mnogo više neuzbuđenih nego uzbuđenih. U cijevi, na putu ovih čestica, nalazi se električno nabijeni kondenzator koji se sastoji od četiri šipke - takozvani kvadrupolni kondenzator. Električno polje u njemu je nejednoliko, i ima takav oblik (Sl. 25, b) da se, prolazeći kroz njega, nepobuđene molekule amonijaka raspršuju na strane, a pobuđene odbijaju prema osi cijevi i tako se postati fokusiran. Stoga u takvom kondenzatoru dolazi do razdvajanja čestica i samo pobuđene molekule amonijaka dospiju na drugi kraj cijevi.

Na ovom drugom kraju cijevi nalazi se posuda određene veličine i oblika - takozvani rezonator. Jednom u njemu, pobuđeni molekuli amonijaka, nakon kratkog vremenskog perioda, spontano prelaze iz pobuđenog u nepobuđeno stanje i istovremeno emituju elektromagnetne talase određene frekvencije. Za ovaj proces se kaže da su molekuli osvijetljeni. Na ovaj način moguće je ne samo dobiti molekularno zračenje, već ga i izolirati.

Hajde da razmotrimo dalji razvoj ovih ideja. Elektromagnetno zračenje rezonantne frekvencije, u interakciji s nepobuđenim molekulima, prenosi ih u pobuđeno stanje. Isto zračenje, u interakciji s pobuđenim molekulima, prenosi ih u nepobuđeno stanje, stimulirajući tako njihovo zračenje. Ovisno o tome koji su molekuli veći, nepobuđeni ili pobuđeni, prevladava proces apsorpcije ili inducirane emisije elektromagnetne energije.

Stvaranjem značajne prevlasti pobuđenih molekula amonijaka u određenom volumenu, na primjer rezonator, i uvođenjem elektromagnetskih oscilacija rezonantne frekvencije na njega, moguće je pojačati ultravisoku frekvenciju. Jasno je da se ovo pojačanje događa zbog kontinuiranog pumpanja pobuđenih molekula amonijaka u rezonator.

Uloga rezonatora nije ograničena na činjenicu da je riječ o posudi u kojoj dolazi do emisije pobuđenih molekula. Pošto elektromagnetno zračenje rezonantne frekvencije stimuliše zračenje pobuđenih molekula, što je veća gustina ovog zračenja, to je ovaj proces indukovanog zračenja aktivniji.

Izborom dimenzija rezonatora u skladu sa talasnom dužinom ovih elektromagnetskih oscilacija, moguće je u njemu stvoriti uslove za nastanak stajaćih talasa (slično odabiru dimenzija cevi organa za nastanak stajaćih talasa odgovarajućih elastičnih zvučne vibracije u njima). Izradom zidova rezonatora od odgovarajućeg materijala moguće je osigurati da odbijaju elektromagnetne oscilacije sa najmanjim gubicima. Obje ove mjere omogućavaju stvaranje velike gustine elektromagnetne energije u rezonatoru i na taj način povećavaju efikasnost cijelog uređaja u cjelini.

Pod svim ostalim stvarima, što je veća gustina protoka pobuđenih molekula, to je veći dobitak u ovom uređaju. Zanimljivo je da pri određenoj dovoljno velikoj gustini fluksa pobuđenih molekula i odgovarajućim parametrima rezonatora, intenzitet zračenja molekula postaje dovoljno velik da pokrije različite gubitke energije, a pojačalo se pretvara u molekularni generator mikrotalasnih oscilacija - tzv. kvantni generator. U tom slučaju više nema potrebe za opskrbom visokofrekventnom elektromagnetnom energijom u rezonator. Proces inducirane emisije nekih pobuđenih čestica je podržan emisijom drugih. Štaviše, pod odgovarajućim uslovima, proces generisanja elektromagnetne energije ne prestaje čak ni kada se deo ukloni u stranu.

Kvantni generator vrlo visoke stabilnosti Proizvodi visokofrekventne elektromagnetne oscilacije strogo određene frekvencije i može se koristiti za mjerenje vremenskih intervala. Nema potrebe da radi neprekidno. Dovoljno je periodično, u određenim intervalima, uporediti frekvenciju električnog generatora astronomskog sata sa ovim standardom molekularne frekvencije i, ako je potrebno, uvesti korekciju.

Astronomski sat sa korekcijom generatora molekularnog amonijaka izgrađen je kasnih pedesetih godina. Njihova kratkoročna nestabilnost nije prelazila 10 -12 u minuti, a dugotrajna oko 10 -10, što odgovara distorziji u brojanju vremenskih intervala za samo 1 sekundu tokom nekoliko stotina godina.

Dalja poboljšanja standarda frekvencije i vremena postignuta su na osnovu istih ideja i upotrebe nekih drugih čestica, kao što su talij i vodonik, kao radni fluid. U ovom slučaju, kvantni generator koji radi na snopu atoma vodika, koji su ranih šezdesetih razvili i izgradili Goldenberg, Klepner i Ramsey, pokazao se posebno obećavajućim. Ovaj generator se takođe sastoji od izvora čestica, separatora i rezonatora montiranih u cev (slika 26) uronjene u odgovarajuću rashladnu tečnost. Izvor emituje snop atoma vodika. Ovaj snop sadrži nepobuđene i pobuđene atome vodika, a nepobuđenih je znatno više nego pobuđenih.

Budući da se pobuđeni atomi vodika razlikuju od nepobuđenih po svom magnetskom stanju (magnetski moment), njihovo razdvajanje ne koristi električno, već magnetsko polje koje stvara par magneta. Rezonator generatora vodonika takođe ima značajne karakteristike. Izrađuje se u obliku tikvice od topljenog kvarca, čije su unutrašnje stijenke obložene parafinom. Zahvaljujući višestrukim (oko 10.000) elastičnih refleksija atoma vodika od parafinskog sloja, dužina leta čestica i, shodno tome, vrijeme njihovog boravka u rezonatoru, u poređenju s molekularnim generatorom, povećava se hiljadama puta. Na ovaj način moguće je dobiti vrlo uske spektralne emisione linije atoma vodika i, u poređenju sa molekularnim generatorom, hiljade puta smanjiti nestabilnost cijelog uređaja.

Moderni dizajni astronomskih satova sa kvantnim generatorom vodika premašili su standard atomskog snopa cezija u svojim performansama. Kod njih nije uočen nikakav sistematski pomak. Njihova kratkotrajna nestabilnost je samo 6*10-14 u minuti, a dugotrajna 2*10-14 dnevno, što je deset puta manje od standarda cezijuma. Reproducibilnost očitavanja sata sa kvantnim generatorom vodonika je ±5*10 -13, dok je za cezijumski standard ponovljivost ±3*10 -12. Shodno tome, u ovom pokazatelju generator vodonika je otprilike deset puta bolji. Dakle, pomoću vodoničnog astronomskog sata moguće je osigurati tačnost mjerenja vremena od reda od 1 sekunde u intervalu od oko sto hiljada godina.

U međuvremenu, brojna istraživanja posljednjih godina pokazala su da ova visoka preciznost mjerenja vremenskih intervala, postignuta na bazi generatora atomskog snopa, još uvijek nije granica i može se povećati.

Prijenos tačnog vremena

Zadatak vremenske službe nije ograničen na primanje i pohranjivanje tačnog vremena. Jednako važan dio toga je i organizacija prijenosa tačnog vremena na način da se ta tačnost ne izgubi.

U stara vremena, vremenski signali su se prenosili pomoću mehaničkih, zvučnih ili svjetlosnih uređaja. U Sankt Peterburgu je točno u podne pucao top; također možete provjeriti svoj sat u odnosu na sat na tornju Instituta za mjeriteljstvo, koji sada nosi ime D. I. Mendeljejeva. U morskim lukama kao vremenski signal korištena je lopta koja pada. Sa brodova stacioniranih u luci moglo se vidjeti kako je tačno u podne lopta pala s vrha posebnog jarbola i pala na podnožje.

Za normalan tok savremenog intenzivnog života veoma je važan zadatak da se obezbedi tačno vreme za železnicu, poštu, telegrafe i velike gradove. Ovdje nije potrebna tako velika preciznost kao u astronomskom i geografskom radu, ali je potrebno da, tačno do minute, u svim dijelovima grada, u svim dijelovima naše ogromne zemlje, svi satovi pokazuju isto vrijeme. Ovaj problem se obično rješava korištenjem električnog sata.

U satarskoj industriji željeznica i komunikacijskih institucija, u satarskoj industriji modernog grada, električni satovi igraju važnu ulogu. Njihov uređaj je vrlo jednostavan, a opet, sa tačnošću od jednog minuta, pokazuju isto vreme na svim tačkama grada.

Električni satovi su primarni ili sekundarni. Primarni električni satovi imaju klatno, točkove, izlaz i predstavljaju brojila u realnom vremenu. Sekundarni električni satovi su samo pokazivači: nemaju satni mehanizam, već samo relativno jednostavan uređaj koji pomiče kazaljke jednom u minuti (Sl. 27). Sa svakim prekidom struje, elektromagnet oslobađa armaturu i „pawl” pričvršćen za armaturu, naslonjen na začepni točak, okreće ga za jedan zub. Signali električne struje se dovode do sekundarnog sata ili iz centralne jedinice ili iz primarnog električnog sata. Posljednjih godina pojavili su se satovi koji govore, dizajnirani po principu zvučnog kina, koji ne samo da pokazuju, već i pokazuju vrijeme.

Za prijenos tačno vreme Danas služe uglavnom električni signali koji se šalju putem telefona, telegrafa i radija. Proteklih decenija tehnologija njihovog prijenosa je poboljšana, a preciznost se shodno tome povećala. Godine 1904. Bigurdan je prenosio ritmičke vremenske signale iz Pariske opservatorije, koje je primala opservatorija Montsouris sa tačnošću od 0,02-0,03 sekunde. Godine 1905., Washingtonska pomorska opservatorija počela je redovno odašiljati vremenske signale; od 1908. ritmički vremenski signali su počeli da se emituju sa Ajfelovog tornja, a od 1912. sa opservatorije Greenwich.

Trenutno se prenos preciznih vremenskih signala obavlja u mnogim zemljama. U SSSR-u takve emisije vodi Državni astronomski institut po imenu. P.K. Sternberga, kao i niz drugih organizacija. Istovremeno se koristi niz različitih programa za prijenos očitanja prosječnog sunčevog vremena putem radija. Na primjer, emitovanje vremenskog signala se emituje na kraju svakog sata i sastoji se od šest kratkih impulsa. Početak posljednjeg od njih odgovara vremenu određenog sata i 00 minuta 00 sekundi. U pomorskoj i vazdušnoj plovidbi koristi se program od pet serija od 60 impulsa i tri serije od šest kratkih signala, razdvojenih dužim signalima. Osim toga, postoji niz posebnih programa vremenskih signala. Informacije o raznim programima posebnih vremenskih signala objavljuju se u posebnim publikacijama.

Greška u prenosu vremenskih signala za emitovane programe je oko ±0,01 - 0,001 sek, a za neke posebne programe ±10 -4 pa čak ±10 -5 sek. Stoga su sada razvijene metode i instrumenti koji omogućavaju prijem, pohranjivanje i prijenos vremena sa vrlo visokim stupnjem tačnosti.

Nedavno su implementirane značajno nove ideje u oblasti pohranjivanja i prenošenja tačnog vremena. Pretpostavimo da je potrebno da na određenom broju tačaka bilo koje teritorije tačnost satova koji tamo stoje ne bude gora od ±30 sekundi, pod uslovom da svi ovi satovi rade neprekidno tokom cele godine. Takvi zahtjevi se odnose, na primjer, na gradske i željezničke satove. Zahtjevi nisu jako strogi, ali da bi ih ispunili uz pomoć samostalnog sata, potrebno je da dnevna brzina svakog sata bude bolja od ±0,1 sec, a za to su potrebni precizni kvarcni hronometri.

U međuvremenu, ako se ovaj problem riješi, koristi se jedinstveni vremenski sistem, koji se sastoji od primarnog sata i velikog broja sekundarnih satova povezanih s njima, onda bi samo primarni trebali imati visoku preciznost. Shodno tome, čak i sa povećanim troškovima za primarni sat i odgovarajućim niskim troškovima za sekundarne taktove, moguće je osigurati dobru tačnost u cijelom sistemu uz relativno niske ukupne troškove.

Naravno, morate biti sigurni da sam sekundarni sat ne donosi greške. Prethodno opisani sekundarni satovi sa zakretnim kotačićem i šapom, kod kojih se kazaljka pomiče na signal jednom u minuti, ponekad ne rade. Štoviše, s vremenom se greška u njihovim očitanjima nakuplja. Moderni sekundarni satovi koriste različite vrste provjere i korekcije očitanja. Još veću preciznost daju sekundarni satovi koji koriste izmjeničnu struju industrijske frekvencije (50 Hz), čija je frekvencija strogo stabilizirana. Glavni dio ovog sata je sinhroni elektromotor koji pokreće naizmjenična struja. Dakle, u ovom satu, sama naizmjenična struja je kontinuirani vremenski signal s periodom ponavljanja od 0,02 sekunde.

Trenutno je stvorena Svjetska sinhronizacija atomskih satova. Glavni primarni sat ovog sistema nalazi se u Rimu, Njujorku, SAD, i sastoji se od tri atomihrona (cezijum atomski satovi), čija se očitavanja usrednjavaju. Ovo osigurava vremensku tačnost jednaku (1-3)*10 -11. Ovi primarni satovi povezani su na svjetsku mrežu sekundarnih satova.

Test je pokazao da je pri prenošenju preciznih vremenskih signala preko WHOAC-a iz države New York (SAD) do ostrva Oahu (Havajska ostrva), odnosno oko 30.000 km, obezbeđeno vremensko usklađivanje sa tačnošću od 3 mikrosekunde.

Visoka preciznost pohranjivanja i odašiljanja vremenskih oznaka, postignuta danas, omogućava rješavanje složenih i novih pitanja navigacije dubokog svemira, ali i starih, ali ipak važnih i zanimljivih pitanja o kretanju zemljine kore.

Kuda idu kontinenti?

Sada se možemo vratiti na problem kretanja kontinenta opisan u prethodnom poglavlju. Ovo je tim interesantnije jer u pola veka koliko je prošlo od pojave Vegenerovih dela do našeg vremena, naučni sporovi oko ovih ideja još nisu jenjali. Na primjer, W. Munk i G. MacDonald su 1960. napisali: “Neki od Wegenerovih podataka su neosporni, ali većina njegovih argumenata je u potpunosti zasnovana na proizvoljnim pretpostavkama.” I dalje: „Veliki kontinentalni pomaci dogodili su se prije pronalaska telegrafa, srednji pomaci su se dogodili prije pronalaska radija, a nakon toga gotovo nikakvi pomaci nisu uočeni.”

Ove zajedljive primjedbe nisu bez osnova, barem u prvom dijelu. Zaista, longitudinalna mjerenja koja su svojevremeno izvršili Wegeper i njegovi saradnici tokom svojih ekspedicija na Grenland (u jednoj od kojih je Wegener tragično poginuo) obavljena su s preciznošću nedovoljnom za rigorozno rješenje problema. To su primijetili i njegovi savremenici.

Jedan od najuvjerljivijih pristalica teorije kontinentalnog kretanja u njenoj modernoj verziji je P. N. Kropotkin. Godine 1962. napisao je: „Paleomagnetski i geološki podaci ukazuju na to da je tokom mezozoika i kenozoika lajtmotiv kretanja zemljine kore bio fragmentacija dva drevna kontinenta - Laurazije i Gondvane i širenje njihovih dijelova prema Tihom okeanu i do geosinklinalnog pojasa Tetis.” Podsjetimo, Laurazija je pokrivala Sjevernu Ameriku, Grenland, Evropu i cijelu sjevernu polovinu Azije, Gondvana je pokrivala južne kontinente i Indiju. Okean Tetis protezao se od Mediterana preko Alpa, Kavkaza i Himalaja do Indonezije.

Isti autor dalje je napisao: „Jedinstvo Gondvane je sada praćeno od prekambrija do sredine krede, a njena fragmentacija sada izgleda kao dug proces koji je započeo u paleozoiku i dostigao posebno velike razmere od sredine veka. Period krede. Od tog vremena je prošlo 80 miliona godina. Posljedično, rastojanje između Afrike i Južne Amerike se povećavalo brzinom od 6 cm godišnje. Ista stopa se dobija iz paleomagnetskih podataka za kretanje Hindustana od južne hemisfere prema severni." Nakon što je rekonstruisao lokaciju kontinenata u prošlosti koristeći paleomagnetske podatke, P.N. Kropotkin je došao do zaključka da su "u to vrijeme kontinenti zaista bili spojeni u blok koji je podsjećao na obrise Wegenerove primarne kontinentalne platforme."

Dakle, zbir podataka dobijenih različitim metodama pokazuje da su današnja lokacija kontinenata i njihovi obrisi nastali u dalekoj prošlosti kao rezultat niza rasjeda i značajnog pomicanja kontinentalnih blokova.

Pitanje modernog kretanja kontinenata rješava se na osnovu rezultata longitudinalnih studija provedenih s dovoljnom preciznošću. Što u ovom slučaju znači dovoljna tačnost, vidi se iz činjenice da, na primjer, na geografskoj širini Washingtona, promjena geografske dužine za jednu desethiljadim dijelom sekunde odgovara pomaku od 0,3 cm. iznosi oko 1 m godišnje, a savremene vremenske usluge već S obzirom da je moguće odrediti trenutke u vremenu, pohraniti i prenijeti precizno vrijeme sa tačnošću od hiljaditih i desethiljaditih dijelova sekunde, onda je za dobivanje uvjerljivih rezultata dovoljno nositi vršiti odgovarajuća mjerenja u intervalima od nekoliko godina ili nekoliko decenija.

U tu svrhu je 1926. godine stvorena mreža od 32 osmatračnice i vršena su astronomska longitudinalna istraživanja. Godine 1933. vršena su ponovljena astronomska longitudinalna istraživanja i već je 71 opservatorija bila uključena u rad. Ova mjerenja, sprovedena na dobrom savremenom nivou, iako u ne tako dugom vremenskom periodu (7 godina), pokazala su, posebno, da se Amerika ne udaljava od Evrope za 1 m godišnje, kako je mislio Wegener, već je približava joj se otprilike 60 cm godišnje.

Tako je uz pomoć vrlo preciznih longitudinalnih mjerenja potvrđeno prisustvo modernog kretanja velikih kontinentalnih blokova. Štaviše, bilo je moguće otkriti da pojedini dijelovi ovih kontinentalnih blokova imaju nešto drugačije kretanje.