Az időmérés jövője - A vákuumtechnológia az optikai atomórák nélkülözhetetlen kelléke

Az időmérés jövője - A vákuumtechnológia az optikai atomórák nélkülözhetetlen kelléke

A szabadon lebegő atomokat tartalmazó vákuumkamrák alkotják napjaink legprecízebb időmérő műszereinek szívét. A lézer-impulzusokat mint időmérő egység alkalmazzák az atomórák legújabb generációi. Ezek a szerkezetek hihetetlenül pontosak.
05.1_Atomuhr.jpg

De mi is maga az idő? Sem a fizikusok, sem a filozófusok nem képesek megválaszolni ezt a kérdést. De ez nem akadályozza az embereket abban, hogy intervallumokra osszák és a lehető legpontosabban mérjék az időt. Az olyan időmérő eszközök mint az ókori napórák vagy a középkor mechanikus toronyórái az időmérés fejlődésének fontos állomásait jelzik. Az egyik kulcsfontosságú műszaki előrelépést Christian Huygens érte el a 17. században, aki matematikus és fizikus volt egy személyben. Ingaórája első ízben volt képes arra, hogy pontosan felossza az időt órákra, percekre és másodpercekre. Azóta egyre pontosabb mérőeszközöket fejlesztettek ki. Ma céziumos atomórákra épül a szabványos világidő mérése, amelyek 30 millió év alatt alig egy másodperc pontatlansággal mutatják az időt.

Céziumos atomórák mérik a világidőt

Ezekben a modern időmérő eszközökben nincsenek ingák vagy mutatók. Céziumatomok „ketyegése" méri az idő múlását. Az atomokat felhevítik, míg végül elpárolognak, majd bekerülnek egy csőbe, amelyben mély vákuum van. Az alacsony nyomás gondoskodik arról, hogy az atomok ne ütközzenek össze egymással, hanem nagy energiával áthaladjanak a kamrán. Utána mikrohullámú sugárzásnak teszik ki az atomokat. A megfelelő frekvencia, amelyet a fizikusok rezonáns frekvenciának neveznek, megváltoztatja az atomok energiaállapotát. A sugárzástól „gerjednek", és egy detektor számlálja őket.

A mikrohullámú frekvenciákat addig szabályozzák, amíg a lehető legnagyobb számú céziumatom energiaállapota meg nem változik. Ez 9 192 631 770 Hertzen biztosan megtörténik – ez több mint kilencmilliárd oszcillációt jelent másodpercenként. Ha fordítva szemléljük a jelenséget, ez azt jelenti, hogy egy másodperc telik el ennek a számnak az eléréséig. Így ez a szám jelenti egy másodpercnyi idő meghatározásának az alapját az SI nemzetközi mértékegységrendszerben.

Még a lézereknél is pontosabb

Ma a cézium sugárzására épülő órák mellett a cézium bomlására épülő órákat is használnak referenciaként a világidő méréséhez. Ezekben az órákban a céziumatomokat bevezetik a vákuumkamrába – egy forráshoz hasonló módon –, mielőtt besugároznák azokat mikrohullámokkal. Mivel az atomok rezonáns frekvenciája ezzel a trükkel még pontosabban meghatározható, a bomlásra épülő órák pontatlansága legfeljebb 40 millió év alatt éri el az egy másodpercet.

A például stroncium- vagy itterbiumatomokat használó optikai atomórák még ennél is pontosabbak. Ezekben a szerkezetekben az atomokat nem mikrohullámmal, hanem lézerrel gerjesztik, szintén nagyon mély vákuumban. A fénynek az a frekvenciája, amely akkor jön létre, amikor az atom energiaállapota megváltozik, referenciaként szolgál a másodperc hosszának megállapításához. A frekvencia magasabb és az elektronátmenet frekvenciája gyorsabb, így ez az idő felosztható még kisebb intervallumokra. Az optikai órák sokkal gyorsabban és pontosabb intervallumokkal„ketyegnek", mint a céziumos órák. Ezek válhatnak a világidő új időmérő eszközeivé, és megkövetelhetik a másodpercként ismert időegység újbóli meghatározását. A folyamattól függetlenül az atomórák minden típusában szükség van vákuumkamrára a referenciaatomokhoz.


Alig néhányan vannak tisztában azzal, hogy már régóta atomórák határozzák meg mindennapi életünk ritmusát, például ezek állítják be a rádióvezérelt órákat és a vasútállomások óráit. A GPS-rendszerek képtelenek lennének megbízható navigációt biztosítani az atomórák nélkül: A GPS-vevőkészülékek, például a személygépkocsikba beépített navigációs rendszerek, folyamatosan regisztrálják a GPS-műholdaktól kapott információkat, amelyek továbbítják pozíciójukat és az időt. A vevőkészülék három műholdtól kapott adatok felhasználásával megállapítja a pontos helyzetet olyan módon, hogy kiszámítja a jelek átvitele és vétele közötti különbséget. Alig egymilliomod másodperc eltérés 300 méter kijelzett értéket eredményez.

A nagy sebességű adatátviteli hálózatok szinkronizálásához is atomórákra van szükség. A hosszú optikai üvegszálas átviteli kábeleknek nagyon pontosan kell koordinálniuk a küldést és a vételt, különben totális káosz alakulna ki.

A geodéziai alkalmazásoknál és az alapkutatásban is rendkívül pontos időmérésre van szükség. Az atomórák legújabb generációja lehetővé teszi az Einstein-féle axióma mérését azzal kapcsolatban, hogy a Föld gravitációja hogyan nyújtja meg az időt, vagy segít megtalálnunk a sötét anyagot.


Iratkozzon fel „A vákuum világa" hírlevélre!
Iratkozzon fel most, és mindig rendelkezzen naprakész ismeretekkel a vákuum világának legújabb lenyűgöző híreiről.

FELIRATKOZÁS