, Galileo) tidak mungkin terjadi tanpa jam atom. Jam atom juga digunakan dalam sistem telekomunikasi satelit dan terestrial, termasuk stasiun pangkalan telepon seluler, biro standar internasional dan nasional, dan layanan waktu, yang secara berkala menyiarkan sinyal waktu melalui radio.
Perangkat jam
Jam tangan ini terdiri dari beberapa bagian:
- diskriminator kuantum,
- elektronik yang kompleks.
Pusat Standar Frekuensi Nasional
Banyak negara telah membentuk pusat standar waktu dan frekuensi nasional:
- (VNIIFTRI), desa Mendeleevo, wilayah Moskow;
- (NIST), Boulder (AS, Colorado);
- Institut Nasional Sains dan Teknologi Industri Maju (AIST), Tokyo (Jepang);
- Badan Fisik dan Teknis Federal (Jerman)(PTB), Braunschweig (Jerman);
- Laboratorium Nasional Metrologi dan Pengujian (Perancis)(LNE), Paris (Prancis).
- Laboratorium Fisika Nasional Inggris (NPL), London, Inggris.
Para ilmuwan dari berbagai negara berupaya meningkatkan jam atom dan menyatakan standar waktu dan frekuensi utama berdasarkan jam tersebut; keakuratan jam tersebut terus meningkat. Di Rusia, penelitian ekstensif yang bertujuan untuk meningkatkan kinerja jam atom sedang dilakukan.
Jenis jam atom
Tidak semua atom (molekul) cocok sebagai pembeda jam atom. Atom dipilih yang tidak peka terhadap berbagai pengaruh eksternal: medan magnet, listrik, dan elektromagnetik. Ada atom seperti itu di setiap rentang spektrum radiasi elektromagnetik. Ini adalah: atom kalsium, rubidium, cesium, strontium, molekul hidrogen, yodium, metana, osmium(VIII) oksida, dll. Transisi hiperhalus atom cesium dipilih sebagai standar frekuensi utama (primer). Kinerja semua standar (sekunder) lainnya dibandingkan dengan standar ini. Untuk membuat perbandingan seperti itu, saat ini digunakan apa yang disebut sisir optik. (Bahasa inggris)- radiasi dengan spektrum frekuensi luas berupa garis-garis yang berjarak sama, yang jaraknya terikat pada standar frekuensi atom. Sisir optik diproduksi menggunakan laser femtodetik dengan mode terkunci dan serat optik berstruktur mikro, yang spektrumnya diperluas hingga satu oktaf.
Pada tahun 2006, para peneliti dari Institut Standar dan Teknologi Nasional Amerika, yang dipimpin oleh Jim Bergquist, mengembangkan jam yang beroperasi pada satu atom. Transisi antara tingkat energi ion merkuri menghasilkan foton dalam kisaran tampak dengan stabilitas 5 kali lebih tinggi dibandingkan radiasi gelombang mikro cesium-133. Jam baru ini juga dapat diterapkan dalam studi ketergantungan perubahan konstanta fisik fundamental terhadap waktu. Pada April 2015, jam atom paling akurat adalah jam yang dibuat oleh Institut Standar dan Teknologi Nasional AS. Kesalahannya hanya satu detik dalam 15 miliar tahun. Salah satu kemungkinan penerapan jam adalah geodesi relativistik, ide utamanya adalah menggunakan jaringan jam sebagai sensor gravitasi, yang akan membantu melakukan pengukuran tiga dimensi yang sangat detail terhadap bentuk Bumi.
Pengembangan aktif jam atom kompak untuk digunakan dalam kehidupan sehari-hari (jam tangan, perangkat seluler) sedang berlangsung. Pada awal tahun 2011, sebuah perusahaan Amerika simetris mengumumkan peluncuran komersial jam atom cesium seukuran chip kecil. Jam ini beroperasi berdasarkan efek penangkapan populasi yang koheren. Stabilitasnya 5 10 -11 per jam, berat 35 g, konsumsi daya 115 mW.
Catatan
- Kumpulan rekor akurasi jam atom baru (belum diartikan) . Membran (5 Februari 2010). Diakses tanggal 4 Maret 2011. Diarsipkan tanggal 9 Februari 2012.
- Frekuensi yang ditunjukkan adalah tipikal untuk resonator kuarsa presisi, dengan faktor kualitas dan stabilitas frekuensi tertinggi yang dapat dicapai saat menggunakan efek piezoelektrik. Secara umum, osilator kuarsa digunakan pada frekuensi dari beberapa kHz hingga beberapa ratus MHz. ( Altshuller G.B., Elfimov N.N., Shakulin V.G. Osilator kristal: Panduan referensi. - M.: Radio dan Komunikasi, 1984. - S. 121, 122. - 232 hal. - 27.000 eksemplar.)
- N.G.Basov, V.S.Letokhov. Standar frekuensi optik. //UFN. - 1968. - T.96, No.12.
- Laboratorium Metrologi Nasional (Bahasa Inggris). NIST, 3 Februari 2011 (Diakses pada 14 Juni 2011)
- Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., dkk. Jam Optik Atom Tunggal dengan Akurasi Tinggi // Phys. Putaran. Biarkan. . - American Physical Society, 4 Juli 2006. - Vol. 97, tidak. 2. -
Pertama, umat manusia menggunakan jam sebagai alat pengatur waktu terprogram.
Kedua, saat ini pengukuran waktu adalah jenis pengukuran yang paling akurat: keakuratan pengukuran waktu kini ditentukan oleh kesalahan luar biasa sebesar 1·10-11%, atau 1 detik dalam 300 ribu tahun.
Dan orang-orang modern mencapai akurasi seperti itu ketika mereka mulai menggunakannya atom, yang akibat osilasinya, merupakan pengatur jam atom. Atom cesium berada dalam dua keadaan energi yang kita butuhkan (+) dan (-). Radiasi elektromagnetik dengan frekuensi 9.192.631.770 hertz dihasilkan ketika atom berubah dari keadaan (+) ke keadaan (-), sehingga menciptakan proses periodik yang tepat dan konstan – pengatur kode jam atom.
Agar jam atom dapat bekerja secara akurat, cesium harus diuapkan dalam tungku, sebuah proses yang melepaskan atom-atomnya. Di belakang tungku terdapat magnet penyortir yang memiliki kapasitas atom dalam keadaan (+), dan di dalamnya, karena penyinaran dalam medan gelombang mikro, atom-atom masuk ke keadaan (-). Magnet kedua mengarahkan atom-atom yang telah berubah keadaan (+) menjadi (-) ke dalam alat penerima. Banyak atom yang telah berubah keadaannya diperoleh hanya jika frekuensi pemancar gelombang mikro sama persis dengan frekuensi getaran cesium sebesar 9.192.631.770 hertz. Jika tidak, jumlah atom (-) pada perangkat penerima akan berkurang.
Perangkat tersebut secara konstan memantau dan mengatur frekuensi konstan 9.192.631.770 hertz. Artinya impian para perancang jam tangan telah menjadi kenyataan, telah ditemukan proses periodik yang benar-benar konstan: frekuensi 9.192.631.770 hertz, yang mengatur jalannya jam atom.
Saat ini, berdasarkan kesepakatan internasional, satu detik didefinisikan sebagai periode radiasi dikalikan 9.192.631.770, sesuai dengan transisi antara dua tingkat struktur hiperhalus dari keadaan dasar atom cesium (isotop cesium-133).
Untuk mengukur waktu yang tepat, Anda juga dapat menggunakan getaran atom dan molekul lain, seperti atom kalsium, rubidium, cesium, strontium, molekul hidrogen, yodium, metana, dll. Namun, radiasi atom cesium dikenali sebagai frekuensi standar. Untuk membandingkan getaran atom yang berbeda dengan standar (cesium), laser titanium-safir diciptakan yang menghasilkan berbagai frekuensi dalam kisaran 400 hingga 1000 nm.
Pencipta pertama jam kuarsa dan atom adalah seorang fisikawan eksperimental Inggris Essen Lewis (1908-1997). Pada tahun 1955, ia menciptakan standar frekuensi atom (waktu) pertama dengan menggunakan berkas atom cesium. Sebagai hasil dari pekerjaan ini, 3 tahun kemudian (1958) muncul layanan waktu berdasarkan standar frekuensi atom.
Di Uni Soviet, Akademisi Nikolai Gennadievich Basov mengemukakan idenya untuk membuat jam atom.
Jadi, jam atom, Salah satu jenis jam yang tepat adalah alat untuk mengukur waktu, dimana getaran alami atom atau molekul digunakan sebagai pendulum. Stabilitas jam atom adalah yang terbaik di antara semua jenis jam yang ada, yang menjadi kunci akurasi tertinggi. Generator jam atom menghasilkan lebih dari 32.768 pulsa per detik, tidak seperti jam konvensional. Getaran atom tidak bergantung pada suhu udara, getaran, kelembapan, dan banyak faktor eksternal lainnya.
Di dunia modern, ketika navigasi tidak bisa dilakukan, jam atom telah menjadi asisten yang sangat diperlukan. Mereka mampu menentukan lokasi pesawat luar angkasa, satelit, rudal balistik, pesawat terbang, kapal selam, mobil secara otomatis melalui komunikasi satelit.
Jadi, selama 50 tahun terakhir, jam atom, atau lebih tepatnya jam cesium, dianggap paling akurat. Mereka telah lama digunakan oleh layanan waktu, dan sinyal waktu juga disiarkan oleh beberapa stasiun radio.
Perangkat jam atom mencakup 3 bagian: 
diskriminator kuantum,
osilator kuarsa,
elektronik yang kompleks.
Osilator kuarsa menghasilkan frekuensi (5 atau 10 MHz). Osilator adalah generator radio RC yang menggunakan mode piezoelektrik kristal kuarsa sebagai elemen resonansi, yang membandingkan atom yang telah berubah keadaan (+) menjadi (-) untuk meningkatkan stabilitas, frekuensinya terus-menerus dibandingkan dengan osilasi diskriminator kuantum (atom atau molekul). Ketika terjadi perbedaan osilasi, elektronik menyesuaikan frekuensi osilator kuarsa ke nol, sehingga meningkatkan stabilitas dan keakuratan jam tangan ke tingkat yang diinginkan.
Di dunia modern, jam atom dapat diproduksi di negara mana pun di dunia untuk digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Ukurannya sangat kecil dan indah. Jam atom terbaru ini berukuran tidak lebih besar dari kotak korek api dan memiliki konsumsi daya yang rendah kurang dari 1 watt. Dan ini bukan batasnya, mungkin di masa depan kemajuan teknis akan mencapai ponsel. Sementara itu, jam atom kompak hanya dipasang pada rudal strategis untuk meningkatkan akurasi navigasi berkali-kali lipat.
Saat ini, jam tangan atom pria dan wanita untuk setiap selera dan anggaran dapat dibeli di toko online.
Pada tahun 2011, jam atom terkecil di dunia diciptakan oleh spesialis dari Symmetricom dan Sandia National Laboratories. Jam tangan ini 100 kali lebih ringkas dibandingkan versi komersial sebelumnya. Ukuran kronometer atom tidak lebih besar dari kotak korek api. Untuk mengoperasikannya, hanya membutuhkan daya 100 mW - 100 kali lebih kecil dibandingkan pendahulunya.
Ukuran jam tangan dapat dikurangi dengan memasang mekanisme yang beroperasi berdasarkan prinsip penentuan frekuensi gelombang elektromagnetik yang dipancarkan oleh atom cesium di bawah pengaruh sinar laser dengan daya yang dapat diabaikan, sebagai ganti pegas dan roda gigi.
Jam seperti itu digunakan dalam navigasi, serta dalam pekerjaan penambang, penyelam, di mana perlu untuk menyinkronkan waktu secara akurat dengan rekan-rekan di permukaan, serta layanan waktu yang tepat, karena kesalahan jam atom kurang dari 0,000001 pecahan satu detik per hari. Harga rekor jam atom kecil Symmetricom adalah sekitar $1.500.
Pernahkah Anda memperhatikan bahwa jam di rumah Anda menunjukkan waktu yang berbeda? Dan bagaimana Anda tahu opsi mana yang benar? Kita akan mempelajari jawaban atas semua pertanyaan ini dengan mempelajari secara menyeluruh prinsip pengoperasian jam atom.
Jam atom: deskripsi dan prinsip operasi
Mari kita pahami dulu apa itu mekanisme jam atom. Jam atom adalah alat yang dapat digunakan untuk mengukur waktu, namun ia menggunakan getarannya sendiri sebagai periodisitas prosesnya, dan segala sesuatu terjadi pada tingkat atom dan molekul. Oleh karena itu akurasi seperti itu.
Dapat dikatakan bahwa jam atom adalah yang paling akurat! Berkat mereka, Internet dan navigasi GPS berfungsi di dunia; kita mengetahui lokasi pasti planet-planet di tata surya. Kesalahan pada perangkat ini sangat minim sehingga kami dapat dengan yakin mengatakan bahwa perangkat tersebut adalah kelas dunia! Berkat jam atom, sinkronisasi seluruh dunia terjadi; diketahui di mana perubahan tertentu berada.
Siapa yang menemukan, siapa yang menciptakan, dan juga siapa yang menciptakan jam tangan ajaib ini?
Pada awal empat puluhan abad ke-20, telah diketahui tentang berkas atom resonansi magnetik. Pada awalnya, penerapannya tidak ada hubungannya dengan jam tangan - itu hanya teori. Namun sudah pada tahun 1945, Isidor Rabi mengusulkan untuk membuat sebuah perangkat, yang konsepnya adalah bahwa mereka akan bekerja berdasarkan teknik yang dijelaskan di atas. Namun dirancang sedemikian rupa sehingga tidak menunjukkan hasil yang akurat. Dan sudah pada tahun 1949, Biro Standar Nasional memberi tahu seluruh dunia tentang pembuatan jam atom pertama, yang didasarkan pada senyawa molekul amonia, dan pada tahun 1952, teknologi dikuasai untuk membuat prototipe berdasarkan atom cesium.
Setelah mendengar tentang atom amonia dan cesium, timbul pertanyaan: apakah jam ajaib ini bersifat radioaktif? Jawabannya jelas - tidak! Tidak ada peluruhan atom di dalamnya.
Saat ini banyak sekali bahan pembuat jam atom. Misalnya silikon, kuarsa, aluminium, dan bahkan perak.
Bagaimana cara kerja perangkat?
Mari kita cari tahu seperti apa jam energi atom dan cara kerjanya. Untuk melakukan ini, kami menawarkan deskripsi pekerjaan mereka:
Agar jam khusus ini berfungsi dengan benar, tidak diperlukan pendulum atau osilator kuarsa. Mereka menggunakan sinyal yang muncul dari transisi kuantum satu elektron antara dua tingkat energi sebuah atom. Hasilnya, kita dapat mengamati gelombang elektromagnetik. Dengan kata lain, kita sering mengalami fluktuasi dan tingkat stabilitas sistem yang sangat tinggi. Setiap tahun, berkat penemuan-penemuan baru, proses dimodernisasi. Belum lama ini, para ahli dari The National Institute of Standards and Technology (NIST) menjadi pemegang rekor, mencetak rekor dunia mutlak. Mereka mampu membawa keakuratan jam atom (berdasarkan strontium) ke deviasi yang sangat minimum, yaitu: dalam 15 miliar tahun, satu detik terus berlalu. Ya, ya, Anda tidak berpikir demikian, ini adalah usia yang saat ini ditetapkan untuk Alam Semesta kita. Ini adalah penemuan yang sangat besar! Bagaimanapun, strontiumlah yang memainkan peran paling penting dalam rekaman ini. Analog dari “centang” adalah atom strontium yang bergerak dalam kisi spasialnya, yang dibuat oleh para ilmuwan menggunakan laser. Seperti biasa dalam sains, secara teori segalanya tampak menarik dan sudah membaik, namun ketidakstabilan sistem seperti itu mungkin berubah menjadi kurang menyenangkan dalam praktiknya. Justru karena ketidakstabilannya, perangkat cesium mendapatkan popularitas di seluruh dunia.
Sekarang mari kita lihat terdiri dari apa perangkat tersebut. Detail utama di sini adalah:
- diskriminator kuantum;
- generator kuarsa;
- elektronik.
Osilator kuarsa mirip dengan osilator mandiri, tetapi untuk menghasilkan elemen resonansi, ia menggunakan mode piezoelektrik kristal kuarsa.
Memiliki diskriminator kuantum dan osilator kuarsa, di bawah pengaruh frekuensinya, keduanya dibandingkan dan ketika perbedaan terdeteksi, rangkaian umpan balik memerlukan osilator kuarsa untuk menyesuaikan dengan nilai yang diperlukan dan meningkatkan stabilitas dan akurasi. Hasilnya, pada keluarannya kita melihat nilai pasti pada pelat jam, dan juga waktu tepatnya.
Model awal berukuran cukup besar, tetapi pada bulan Oktober 2013, perusahaan Bathys Hawaii membuat gebrakan dengan merilis jam tangan atom mini. Awalnya semua orang menganggap pernyataan ini sebagai lelucon, tetapi segera menjadi jelas bahwa itu memang benar beroperasi berdasarkan sumber atom Cesium 133. Keamanan perangkat dijamin oleh fakta bahwa unsur radioaktif terkandung dalam bentuk gas dalam kapsul khusus. Foto perangkat ini telah menyebar ke seluruh dunia.
Banyak orang yang tertarik pada topik jam atom dengan masalah sumber listrik. Baterai lithium-ion digunakan sebagai baterai. Namun sayang, belum diketahui berapa lama baterai tersebut akan bertahan.
Jam tangan BathysHawaii benar-benar merupakan jam tangan atom pertama. Sebelumnya, sudah diketahui kasus pelepasan perangkat yang relatif portabel, namun sayangnya tidak memiliki sumber tenaga atom, melainkan hanya disinkronkan dengan jam dimensi nyata melalui radio nirkabel. Perlu juga disebutkan biaya gadget semacam itu. Kenikmatan itu dihargai 12 ribu dolar AS. Jelas bahwa dengan harga seperti itu jam tangan tersebut tidak akan mendapatkan popularitas yang luas, namun perusahaan tidak mengupayakannya, karena merilisnya dalam jumlah yang sangat terbatas.
Kita mengetahui beberapa jenis jam atom. Tidak ada perbedaan signifikan dalam desain dan prinsipnya, namun masih terdapat beberapa perbedaan. Jadi yang utama adalah sarana mencari perubahan dan unsur-unsurnya. Jenis jam tangan berikut dapat dibedakan:
- Hidrogen. Esensinya terletak pada kenyataan bahwa atom hidrogen dipertahankan pada tingkat energi yang diperlukan, tetapi dindingnya terbuat dari bahan khusus. Berdasarkan hal ini, kami menyimpulkan bahwa atom hidrogenlah yang kehilangan keadaan energinya dengan sangat cepat.
- sesium. Mereka didasarkan pada balok cesium. Perlu dicatat bahwa jam tangan ini adalah yang paling akurat.
- Rubidium. Mereka adalah yang paling sederhana dan sangat kompak.
Seperti disebutkan sebelumnya, jam atom adalah gadget yang sangat mahal. Dengan demikian, jam saku Hoptroff No. 10 adalah perwakilan cemerlang dari mainan generasi baru. Harga aksesori yang stylish dan sangat presisi ini adalah 78 ribu dolar. Hanya 12 eksemplar yang diproduksi. Mekanisme alat ini menggunakan sistem osilasi frekuensi tinggi yang juga dilengkapi dengan sinyal GPS.
Perusahaan tidak berhenti sampai disitu saja, dan pada jam tangan versi kesepuluh mereka ingin menggunakan metode penempatan mekanisme dalam kotak emas, yang akan dicetak pada printer 3D populer. Belum dihitung secara pasti berapa banyak emas yang akan digunakan untuk kasus versi ini, namun perkiraan harga eceran mahakarya ini sudah diketahui - sekitar 50 ribu pound sterling. Dan ini bukan harga akhir, meski memperhitungkan semua volume penelitian, serta kebaruan dan keunikan gadget itu sendiri.
Fakta sejarah tentang penggunaan jam tangan
Bagaimana kita bisa berbicara tentang jam atom tanpa menyebutkan fakta paling menarik yang berhubungan dengannya dan waktu secara umum:
- Tahukah Anda kalau jam matahari tertua ditemukan di Mesir kuno?
- Kesalahan jam atom sangat minim - hanya 1 detik per 6 juta tahun.
- Semua orang tahu bahwa ada 60 detik dalam satu menit. Namun hanya sedikit orang yang mengetahui berapa milidetik dalam satu detik? Dan jumlahnya tidak banyak dan tidak sedikit - seribu!
- Setiap wisatawan yang sempat berkunjung ke London selalu ingin melihat Big Ben dengan mata kepala sendiri. Namun sayang, tidak banyak yang mengetahui bahwa Big Ben bukanlah sebuah menara sama sekali, melainkan nama sebuah lonceng besar seberat 13 ton yang berbunyi di dalam menara tersebut.
- Pernahkah Anda bertanya-tanya mengapa jarum jam kita bergerak dari kiri ke kanan atau, seperti yang biasa kita katakan, “searah jarum jam”? Fakta ini berhubungan langsung dengan cara bayangan bergerak pada jam matahari.
- Jam tangan pertama ditemukan pada tahun 1812. Mereka dibuat oleh pendiri Breguet untuk Ratu Neapolitan.
- Sebelum Perang Dunia Pertama, jam tangan hanya dianggap sebagai aksesori wanita, tetapi tak lama kemudian, karena kenyamanannya, jam tangan juga dipilih oleh masyarakat pria.
Tahun lalu, 2012, menandai empat puluh lima tahun sejak umat manusia memutuskan untuk menggunakan ketepatan waktu atom untuk mengukur waktu seakurat mungkin. Pada tahun 1967, kategori waktu internasional tidak lagi ditentukan oleh skala astronomi - digantikan oleh standar frekuensi cesium. Dialah yang menerima nama populer saat ini - jam atom. Waktu pasti yang dapat ditentukan memiliki kesalahan kecil yaitu satu detik per tiga juta tahun, yang memungkinkannya digunakan sebagai standar waktu di seluruh penjuru dunia.
Sedikit sejarah
Gagasan menggunakan getaran atom untuk pengukuran waktu yang sangat presisi pertama kali diungkapkan pada tahun 1879 oleh fisikawan Inggris William Thomson. Ilmuwan ini mengusulkan penggunaan hidrogen sebagai pemancar atom resonator. Upaya pertama untuk mewujudkan ide ini baru dilakukan pada tahun 40-an. Abad ke dua puluh. Jam atom pertama yang berfungsi di dunia muncul pada tahun 1955 di Inggris Raya. Penciptanya adalah fisikawan eksperimental Inggris Dr. Louis Essen. Jam ini bekerja berdasarkan getaran atom cesium-133, dan berkat jam tersebut, para ilmuwan akhirnya dapat mengukur waktu dengan akurasi yang jauh lebih tinggi dari sebelumnya. Perangkat pertama Essen membuat kesalahan tidak lebih dari satu detik untuk setiap seratus tahun, tetapi kemudian meningkat berkali-kali lipat dan kesalahan per detik hanya dapat terakumulasi dalam 2-3 ratus juta tahun.
Jam atom: prinsip operasi
Bagaimana cara kerja “perangkat” pintar ini? Jam atom menggunakan molekul atau atom pada tingkat kuantum sebagai generator frekuensi resonansi. membangun hubungan antara sistem "inti atom - elektron" dan beberapa tingkat energi diskrit. Jika sistem seperti itu dipengaruhi dengan frekuensi yang ditentukan secara ketat, maka transisi sistem ini dari tingkat rendah ke tingkat tinggi akan terjadi. Proses sebaliknya juga mungkin terjadi: peralihan atom dari tingkat yang lebih tinggi ke tingkat yang lebih rendah, disertai dengan pelepasan energi. Fenomena ini dapat dikendalikan dan semua lompatan energi dapat direkam dengan membuat sesuatu seperti rangkaian osilasi (juga disebut osilator atom). Frekuensi resonansinya akan sesuai dengan perbedaan energi antara tingkat transisi atom di dekatnya, dibagi dengan konstanta Planck.
Rangkaian osilasi semacam itu memiliki keunggulan yang tidak dapat disangkal dibandingkan pendahulunya yang mekanis dan astronomis. Untuk salah satu osilator atom tersebut, frekuensi resonansi atom suatu zat akan sama, yang tidak dapat dikatakan tentang pendulum dan kristal piezo. Selain itu, atom tidak mengubah sifatnya seiring waktu dan tidak aus. Oleh karena itu, jam atom adalah kronometer yang sangat akurat dan praktis abadi.
Waktu yang akurat dan teknologi modern
Jaringan telekomunikasi, komunikasi satelit, GPS, server NTP, transaksi elektronik di bursa, lelang internet, tata cara pembelian tiket melalui Internet - semua ini dan banyak fenomena lainnya telah lama terjadi dalam kehidupan kita. Namun jika umat manusia tidak menemukan jam atom, semua ini tidak akan terjadi. Waktu yang tepat, sinkronisasi yang memungkinkan Anda meminimalkan kesalahan, penundaan, dan penundaan, memungkinkan seseorang memanfaatkan sumber daya tak ternilai yang tak ternilai ini, yang jumlahnya tidak pernah terlalu banyak.
Jam atom merupakan alat pengukur waktu paling akurat yang ada saat ini, dan menjadi semakin penting seiring berkembang dan semakin kompleksnya teknologi modern.
Prinsip operasi
Jam atom mencatat waktu yang akurat bukan karena peluruhan radioaktif, seperti namanya, namun menggunakan getaran inti dan elektron di sekitarnya. Frekuensinya ditentukan oleh massa inti, gravitasi, dan “penyeimbang” elektrostatis antara inti bermuatan positif dan elektron. Ini tidak sesuai dengan pergerakan jam tangan biasa. Jam atom merupakan pencatat waktu yang lebih andal karena osilasinya tidak berubah bergantung pada faktor lingkungan seperti kelembapan, suhu, atau tekanan.
Evolusi jam atom
Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah menyadari bahwa atom memiliki frekuensi resonansi yang berkaitan dengan kemampuan masing-masing atom dalam menyerap dan memancarkan radiasi elektromagnetik. Pada tahun 1930-an dan 1940-an, peralatan komunikasi dan radar frekuensi tinggi dikembangkan yang dapat berinteraksi dengan frekuensi resonansi atom dan molekul. Ini berkontribusi pada ide jam tangan.
Contoh pertama dibuat pada tahun 1949 oleh Institut Standar dan Teknologi Nasional (NIST). Amonia digunakan sebagai sumber getaran. Namun, angka tersebut tidak lebih akurat dibandingkan standar waktu yang ada, dan cesium digunakan pada generasi berikutnya.
Standar baru
Perubahan dalam ketepatan pengukuran waktu begitu besar sehingga pada tahun 1967 General Conference on Weights and Measures mendefinisikan satuan SI sebagai 9.192.631.770 getaran atom cesium pada frekuensi resonansinya. Artinya waktu tidak lagi berhubungan dengan pergerakan bumi. Jam atom paling stabil di dunia diciptakan pada tahun 1968 dan digunakan sebagai bagian dari sistem penunjuk waktu NIST hingga tahun 1990-an.
Mobil perbaikan
Salah satu kemajuan terbaru di bidang ini adalah pendinginan laser. Hal ini meningkatkan rasio signal-to-noise dan mengurangi ketidakpastian sinyal clock. Menampung sistem pendingin ini dan peralatan lain yang digunakan untuk menyempurnakan jam cesium akan membutuhkan ruang seukuran gerbong kereta api, meskipun versi komersial dapat dimasukkan ke dalam koper. Salah satu instalasi laboratorium ini mencatat waktu di Boulder, Colorado, dan merupakan jam paling akurat di Bumi. Mereka hanya salah 2 nanodetik per hari, atau 1 detik per 1,4 juta tahun.
Teknologi yang kompleks
Ketepatan yang luar biasa ini merupakan hasil dari proses manufaktur yang rumit. Pertama, cesium cair dimasukkan ke dalam tungku dan dipanaskan hingga berubah menjadi gas. Atom logam keluar dengan kecepatan tinggi melalui lubang kecil di tungku. Elektromagnet menyebabkan mereka terpecah menjadi berkas terpisah dengan energi berbeda. Sinar yang dibutuhkan melewati lubang berbentuk U, dan atom-atom disinari dengan energi gelombang mikro dengan frekuensi 9.192.631.770 Hz. Berkat ini, mereka bersemangat dan berpindah ke kondisi energi yang berbeda. Medan magnet kemudian menyaring keadaan energi atom lainnya.
Detektor bereaksi terhadap cesium dan menunjukkan nilai maksimum pada frekuensi yang benar. Hal ini diperlukan untuk mengkonfigurasi osilator kuarsa yang mengontrol mekanisme jam. Membagi frekuensinya dengan 9.192.631.770 menghasilkan satu pulsa per detik.
Bukan hanya sesium
Meskipun jam atom yang paling umum menggunakan sifat cesium, ada jenis lainnya. Mereka berbeda dalam unsur yang digunakan dan cara untuk menentukan perubahan tingkat energi. Bahan lainnya adalah hidrogen dan rubidium. Jam atom hidrogen berfungsi mirip dengan jam cesium, namun memerlukan wadah berdinding bahan khusus yang mencegah atom kehilangan energi terlalu cepat. Jam tangan Rubidium adalah yang paling sederhana dan ringkas. Di dalamnya, sel kaca berisi gas rubidium mengubah penyerapan cahaya saat terkena frekuensi sangat tinggi.
Siapa yang butuh waktu akurat?
Saat ini, waktu dapat diukur dengan sangat presisi, namun mengapa hal ini penting? Hal ini diperlukan dalam sistem seperti telepon seluler, Internet, GPS, program penerbangan, dan televisi digital. Sekilas hal ini tidak terlihat jelas.
Contoh penggunaan waktu yang tepat adalah dalam sinkronisasi paket. Ribuan panggilan telepon melewati jalur komunikasi rata-rata. Ini hanya mungkin karena percakapan tidak tersampaikan sepenuhnya. Perusahaan telekomunikasi membaginya menjadi paket-paket kecil dan bahkan melewatkan beberapa informasi. Mereka kemudian melewati jalur tersebut bersama dengan paket percakapan lainnya dan dikembalikan ke ujung lainnya tanpa tercampur. Sistem pencatatan jam kerja sentral telepon dapat menentukan paket mana yang termasuk dalam percakapan tertentu berdasarkan waktu pengiriman informasi yang tepat.
GPS
Implementasi lain dari waktu tepat adalah sistem penentuan posisi global. Terdiri dari 24 satelit yang memancarkan koordinat dan waktunya. Penerima GPS mana pun dapat menyambungkannya dan membandingkan waktu siaran. Perbedaannya memungkinkan pengguna untuk menentukan lokasinya. Jika jam ini tidak terlalu akurat, sistem GPS tidak akan praktis dan tidak dapat diandalkan.
Batas kesempurnaan
Dengan berkembangnya teknologi dan jam atom, ketidakakuratan alam semesta menjadi nyata. Bumi bergerak tidak merata sehingga menyebabkan variasi acak dalam panjang tahun dan hari. Di masa lalu, perubahan ini luput dari perhatian karena alat untuk mengukur waktu terlalu tidak tepat. Namun, yang membuat para peneliti dan ilmuwan frustrasi karena waktu jam atom harus disesuaikan untuk mengimbangi anomali di dunia nyata. Mereka adalah alat luar biasa yang membantu memajukan teknologi modern, namun keunggulannya dibatasi oleh batasan yang ditentukan oleh alam itu sendiri.
