در ايالات متحده زمان استاندارد بر اساس ساعت مرجع رصدخانه نيروي دريايي (USNO) که مرجع رسمي زمان براي وزارت دفاع است، تنظيم مي شود. و تاثير اين مکانيسم در تمامي ساعت هاي مچي، زنگ دار، کامپيوترها، منشي هاي تلفني خودکار و برنامه هاي زمان بندي اين کشور قابل مشاهده است.
و به همين ترتيب در تمام دنيا ساعت هاي مرجع اين چنيني براي تنظيم زمان وجود دارند. اما اين ساعت ها چقدر دقيق اند و از چه نوعي هستند که اين گونه با اعتماد کامل تمام محاسبات زمان دنيا را بر دوش آنها گذارده اند؟
جواب کوتاه «ساعت اتمي» است و براي جواب کامل هم پيشنهاد مي کنم در ادامه مطلب با ما همراه باشيد.
آيا ساعت هاي اتمي راديواکتيو هستند؟
ساعت هاي اتمي بهتر از هر ساعت ديگري زمان را نگه مي دارند. آنها حتي بهتر از چرخش زمين و حرکت ستارگان حساب گذر زمان را دارند. بدون ساعت هاي اتمي، مسيريابي با GPS تقريبا غيرممکن است، اينترنت ممکن است همگام نشده و محتواي منطبقي نداشته باشد ، و حتي تعيين موقعيت سياره ها براي سفينه هاي فضايي و ربات هاي کاوشکر به طور دقيق امکان پذير نگردد.
ساعت هاي اتمي راديواکتيو نيستند. آنها داراي چرخه فروپاشي اتمي نيستند. و البته همانند ساعت هاي معمولي پاندول نوسانگر يا فنر ارتجاعي هم ندارند.
بزرگترين تفاوت ميان ساعت اتاق شما و يک ساعت اتمي اين است که نوسان در يک ساعت اتمي، ميان هسته يک اتم و الکترون هاي اطراف آن اتفاق مي افتد. اين نوسان دقيقا همانند چرخ بالانس و فنر مويي ساعت کوکي نيست، اما در واقع هر دو اين ساعت ها از شمارش نوسان ها براي اندازه گيري زمان استفاده مي کنند.
فرکانس هاي نوسان درون اتم توسط حجم هسته و جاذبه الکترواستاتيک ميان قطب مثبت هسته و ابر الکتروني اطراف آن تعيين مي شوند.
انواع ساعت هاي اتمي
امروزه انواع مختلي از ساعت هاي اتمي توليد شده اند که البته همگي بر پايه يک قانون بنا گرديده اند. در اين ميان تفاوت اصلي در عنصر مورد استفاده و شيوه آشکارسازي هنگام تغيير سطح انرژي است. انواع مختلف ساعت اتمي را مي توان شامل اين گروه ها دانست:
ساعت هاي اتمي سزيمي: که يک پروتو از اتم هاي سزيم را به خدمت گرفته اند. در اين ساعت اتم هاي سزيم مختلف با سطوح متفاوت انرژي توسط ميدان مغناطيسي از يکديگر جدا مي شوند.
ساعت هاي اتمي هيدروژني: که اتم هاي هيدروژن با سطح خاصي از انرژي را درون محفظه اي با ديوارهايي از فلز ويژه نگهداري مي کنند، تا اتم ها نتوانند سطح انرژي بالاي شان را با سرعت زيادي از دست دهند.
ساعت هاي اتمي راديومي: که ساده ترين و فشرده ترين نوع هستند و از يک سلول شيشه اي گاز راديوم تشکيل شده اند. تغييرات در ميزان جذب نور در راديوم با فرکانس نوري متفاوت هنگامي که توسط مايکروويو با فرکانس صحيح احاطه شده باشد، باعث کارکرد ساعت مي شود.
دقيق ترين ساعت هاي اتمي امروزه از اتم سزيوم و ميدان هاي مغناطيسي معمولي به همراه آشکارسازها استفاده مي کنند. علاوه بر اين، اتم هاي سزيم توسط اشعه ليزر تحت تاثير واقع نمي شوند. و اثر دوپلر تاثير بسيار کمي روي آنها دارد.
ساعت اتمي چه زماني اختراع شد؟
در سال ۱۹۴۵ پروفسور ايسيدور رابي، فيزيکدان دانشگاه کلمبيا پيشنهاد کرد مي توان با استفاده از تکنيکي که وي در سال ۱۹۳۰ آن را توسعه داده و «رزنانس مغناطيسي شعاع اتمي» ناميده بود، يک ساعت ساخت. در سال ۱۹۴۹ اداره استاندارد اعلام کرد اولين ساعت اتمي جهان را راه اندازي کرده که از ملکول آمونياک به عنوان منبع نوسان بهره مي برد. و در سال ۱۹۵۲ اين اداره اعلام کرد اولين ساعت اتمي به اتم هاي سزيم به عنوان منبع ارتعاش مجهز شده است: NBS-1
در ۱۹۵۵ لابراتوار ملي فيزيک انگليس اولين ساعت پرتو سزيم را توليد کرد. آنها از آن به عنوان مرجع درجه بندي و کاليبراسيون استفاده مي کردند. طي يک دهه بعدي، انواع پيشرفته تري از ساعت هاي اتمي خلق شدند. در ۱۹۶۷، سيزدهمين کنفرانس اوزان و مقياس ها، مرجع اندازه گيري SI ثانيه را بر حسب ارتعاش اتم سزيم تعريف کرد. از اين پس ديگر سيستم وقت نگهدار جهاني بر اساس ستاره شناسي و نجوم نبود. NBS-4 به عنوان پايدارترين ساعت سزيمي دنيا در سال ۱۹۶۸ کامل شد و تا دهه ۱۹۹۰ به عنوان بخشي از سيستم زماني NIST مورد استفاده قرار مي گرفت.
در سال ۱۹۹۹ ساعت NIST-F1 با ضريب خطاي يک ثانيه در بيست ميليون سال شروع به کار کرد و تبديل به يکي از دقيق ترين ساعت هاي جهان شد. و البته اين تنها تاريخچه ساعت هاي ايالات متحده است و ديگر نقاط دنيا هم همپاي اين کشور به ساخت ساعت هاي اتمي بسيار دقيق مشغول هستند .
زمان اتمي چگونه اندازه گيري مي شود؟
فرکانس دقيق رزونانس سزيم ويژه مورد استفاده در ساعت هاي اتمي طبق يک توافق بين المللي ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ هرتز است. و هنگامي اعداد را تقسيم کنيم، خروجي دقيقا يک هرتز يا يک سيکل در ثانيه خواهد بود.
دقت طولاني مدت قابل دستيابي با ساعت هاي اتمي سزيمي مدرن (تقريبا در تمامي آنها)، تقريبا در حد يک ثانيه در يک ميليون سال است. ساعت هاي اتمي هيدروژني البته دقت کوتاه مدت (يک هفته اي) بسيار بهتري داشته و حدودا ۱۰ مرتبه دقيق تر هستند. در نتيجه اندازه گيري زمان با ساعت هاي اتمي دقت کار را حدود يک ميليون بار نسبت به روش هاي قديمي استفاده از تکنيک هاي نجومي بهبود بخشيده است.
در آمريکا، اولين ساعت هاي اتمي تجاري را در ماساچوست با استفاده از سزيم توليد کردند. امروزه هم اين ساعت ها توسط شرکت هاي گوناگوني در سراسر دنيا توليد مي شوند که از مشهورترين آنها مي توان به HP و FTS اشاره کرد. و البته تکنولوژي جديد دائما در حال بهبود کارايي اين ساعت ها است. بسياري از ساعت هاي اتمي سزيمي آزمايشگاه هاي دقيق هزاران بار بهتر از نمونه هاي تجاري هستند.
اگر به خاطر داشته باشيد پيش از اين کاربرد ساعت اتمي در ماهواره هاي جي پي اس و سرورهاي اسپنر گوگل را مثال زديم. و البته حتي کامپيوتر شما هم از طريق سرور مايکروسافت، خود را با ساعت هاي اتمي دنيا تنظيم مي کند. شما چه کاربردهايي را براي اين زمان سنجي دقيق متصور هستيد؟
آیا سرمازیستی انسان را جاودانه می‌کند؟ 
عجیب‌ترین اتفاقات دنیای علم و تکنولوژی در سال ۲۰۱۷ 
چه چیز جایگزین گوشی هوشمند خواهد شد؟ 
مریسا مایر؛ رهبر سخت‌کوشی که نتوانست یاهو را نجات دهد 
تلاش برای ساخت مغز مصنوعی 
مدیرعامل یاهو از جیمیل استفاده می‌کند 
آیا ما در عصر طلایی رشد علم و فناوری هستیم؟ 
اگر طاقت دوری از موبایل تان را ندارید، بخوانید 
پیش‌بینی‌های درحال تحقق بیل گیتس درباره آینده جهان 
۱۰ ثروتمند عرصه فناوری را بشناسید 
چرا گونه ما تنها عضو باقی مانده از خانواده انسان است؟
تغییر آب و هوا به نابودی نئاندرتالها کمک کرد
آیا پریدن در آسانسور در حال سقوط، جان شما را نجات میدهد؟
مشکل در سایت
موفقیت دانشمندان کاشت حافظه یک مغز در مغزی دیگر
سخنرانی در جمع و راهکارهایی برای غلبه بر ترس های آن
چه تعداد از سلولهای بدن شما، سلول انسانی نیستند؟
مکانهای مناسب برای زندگی در مریخ مشخص شد
توضیح چگونگی تولید طلا، سیاهچالهها و امواج گرانشی در آخرین مصاحبه استیون هاوکینگ
زبان قدرت؛ راهکاری برای پیشرفت زنان در کسب و کار
ساخت فوم قابل تزریق برای درمان پوکی استخوان
اسرارزندگی مارها
همه چیز درباره ی پنگوئن ها به صورت خلاصه
بزرگترین عدد در جهان
انواع مورچه ها+عکس
اطلاعاتی درباره ی یونان
تاریخچه شهرنشینی در ایران باستان(قسمت دوم)