Tip:
Highlight text to annotate it
X
Jak działa zegar atomowy i jego zastosowanie w Globalnym Systemie Pozycjonowania (GPS)
Chcę wam pokazać najbardziej niesamowitą rzecz.
Pierwszy na świecie komercyjnie dostępny zegar atomowy wielkości układu scalonego.
CSAC firmy Symmetricon.
Tak jest: To malutkie urzędzenie
o wielkości dwudziestopięciocentówki (lub monety pięciozłotowej)
to zegar atomowy.
Najbardziej dokładne zegary atomowe tracą około
sekundy przez 138 milionów lat.
Fascynuje mnie sposób w jaki działa zegar atomowy
pozwólcie, że wytłumaczę jak działał pierwszy taki zegar.
Zacznę od galaretki.
Dotknij bryły galaretki, a zacznie się ona trząść.
Tak jak huśtanie się wahadła w zegarze dziadka,
drgania tej galaretki zachowują czas.
Galaretka nie jest do tego zbyt dobra,
ale w środku zegara atomowego znajdziemy kawałek kwarzu
o podobnym kształcie i jeśli go dotknięmy,
co robimy za pomocą wstrząsu elektrycznego,
będzie on oscylował około pięciu milionów razy na sekundę.
Zachowuje on czas z dokładnością do około 1 sekundy na 90,000 lat,
czyli ułamek dokładności potrzebnej dla zegara atomowego.
Kwarz traci czas, ponieważ drga coraz wolniej i musi
zostać \"szturchnięty\", aby przywrócić jego drgania.
Tutaj wchodzi w grę \"atomowa\" część zegara atomowego.
Uzywamy atomów cezu do bardzo dokładnej kontroli tych szturchnięć.
Za każdym razem, gdy drgania kwarcu zwalniają
nawet bardzo mało, my je lekko \"trącamy\"
za pomocą wstrząsu elektrycznego w konkretnym momencie,
więc w istocie te oscylacje nigdy nie wygasają.
Pokażę wam, jak używamy w tym celu cezu.
Atomy w czystym cezie istnieją głównie
w dwóch lekko róznych formach.
W formie niskoenergetycznej i w formie o trochę większej ilości energii.
Te dwa stany mają dwie właściwości
niezbędne do zrobienia zegara atomowego.
Po pierwsze, mogą być rozdzielone magnesem.
Po drugie, atomy o niższej energii mogą być przekształcone
w te o wyższej energii jeśli zbombardujemy cez odpowiednim promieniowaniem.
Inżynierowie wiążą zwalnianie drgań kwarzu
z precyzyjną długością fali tego promieniowania,
aby wywołać pętlę sprzężenia zwrotnego.
Pokażę wam jak.
W piecu podgrzewamy chlorek cezu, żeby wytworzyć
gazowy strumień jonów cezu.
Strumień ten zawiera nisko- i wysokoenergetyczne jony.
Najpierw przepuszczamy go przez magnes rozdzielający oba rodzaje,
odrzucający te o wysokiej energii, pozwalając jonom o niskiej energii
przejść do komory.
W komorze bombardujemy jony za pomocą
bardzo dokładnego promieniowania,w celu spowodowania skoku do wyższej energii.
Kiedy te gazowe jony opuszczają komorę, przechodzą one przez
kolejny magnes, który skierowuje jony o wysokiej energii w stronę detektora,
tym razem odrzucając wszystkie te o niskiej energii.
Detektor przekształca przychodzące jony w prąd.
Sztuczka polega na przekazaniu prądu z detekora
do oscylatora kwarcowego.
Kiedy drgania kwarcu wygasają,
czyli trochę zwalniają,
energia bombardująca jony cezu
w komorach zmienia się i mniej wysokoenergetycznych
jonów wydostaje się z komory, więc prąd maleje lub ustaje.
Jest to informacja dla układu elektronicznego, aby \"szturchnąć\"
oscylator kwarcowy i poprawić okres drgań.
Robi to poprzez przyłożenie właściwego napięcia, które
przez efekt piezoelektyczny lekko \"dotyka\" kwarz
i przywraca jego drgania.
I tak powstaje zegar, który traci
mniej niż sekundę przez wiele milionów lat.
Nasz świat polega na takiej dokładności.
Na przykład wymaga jej Globalny System Pozycjonowania (GPS).
Na GPS składają się
24 satelity orbitujące wokół Ziemii.
Odbiornik GPS korzysta z pozycji czterech
z tych satelit do zlokalizowania samego siebie.
Jednego w celu poprawienia czasu w odbiorniku
i trzech do ustalenia pozycji.
Oto jak to działa.
Z pierwszego satelity wysyłany jest do odbiornika sygnał,
który zawiera lokację satelity
i czas wysłania sygnału.
Odbiornik mnoży wtedy czas podróży sygnału
przez prędkość światła, aby obliczyć jego odległość od satelity.
Z jednym satelitą odbiornik wie,
że jest umieszczony na sferze wokół tego satelity
o promieniu równym obliczonej odległości.
Takie same obliczenia robi z drugim satelitą.
Przecięcie tych dwóch sfer zawęża
pozycję do obwodu koła.
Wtedy wraz z trzecim satelitą odbiornik może ograniczyć
pozycję do pojedynczego punktu.
Ponieważ sygnały podróżują z prędkością światła,
pomyłka nawet o milisekundę oznacza błąd
o około milion stóp, czy też 300 kilometrów.
Ale z dokładnością zegara atomowego
odbiornik może zlokalizować się z trafnością do około 3 stóp lub 1 metra.
Tu Bill Hammack, inżynier.
Ten film jest oparty o rozdział w książce
\"Eight Amazing Engineering Stories\" (\"Osiem Niezwykłych Opowieści Inżynierskich\").
Rozdział zawiera więcej informacji na ten temat.