Laiko matavimo kronika - tikslaus laiko ieškant. Lithuanian

Pasivadinusi Waltham Watch Company pelnėsi iš didelio laikrodžių poreikio Civilinio karo metu, kai Suvienytosioms pajėgoms reikėjo koordinuoti veiksmus. Gamybos patobulinimai toliau didino pasiūlą ir mažino kainas. Kūrėsi naujos kompanijos, besitikinčios irgi nukąsti šio pyrago gabalą.

„Swiss“, iki tol dominavusi šioje pramonėje, susirūpino, kai sumažėjo eksportas. Žvalgas, pasiųstas į Masačūsetsą, išsiaiškino, kad Walthame ne tik aukštesnis produktyvumas, bet ir mažesni gamybos kaštai. Ir net kai kurie pigūs amerikoniški laikrodžiai buvo pakankamai tikslūs. Laikrodis pagaliau buvo prieinamas masėms.

Kadangi 19-me a. moterys laikrodžius nešiojo ant riešo, rankiniai laikrodžiai ilgokai laikyti moterišku aksesuaru. Pirmojo pasaulinio karo metu kišeninis laikrodis buvo taip modifikuotas, kad jį buvo lengva pritvirtinti prie riešo, kur į jį mūšio metu pasižiūrėti buvo gerokai lengviau. Sėkmingos marketinginės kampanijos dėka vyriški rankiniai laikrodžiai paplito po karo. 20 a. 3-me dešimtm. pasirodė savaime prisisukantys mechaniniai rankiniai laikrodžiai.

19 a. pabaigoje Siegmund Riefler'is Miunchene sukūrė radikaliai naują reguliatorių – labai tikslų laikrodį, naudojamą standartu kitiems. Patalpintas beveik vakuume, kad sumažintų barometrinio slėgio poveikį, ir turintis švytuoklę, mažai veikiamą temperatūros pokyčių. S. Rieflerio reguliatorių paklaida per dieną tebuvo dešimtosios sekundės dalys – todėl buvo naudojami beveik visose astronominėse observatorijose.

Progresas įvyko po kelių dešimtmečių, kai Anglijos geležinkelių inžinierius William H. Shortt sukūrė vadinamąjį laisvo kritimo švytuoklės laikrodį, kurio paklaida tebuvo sekundė per metus. Shortt‘o sistemą sudarė du švytuokliniai laikrodžiai, vienas „pagrindinis“ (esantis išsiurbtame bake) ir „priklausomas“ (turintis laiko padalas). Kas 30 sek. priklausomas laikrodis sugeneruodavo elektromagnetinį impulsą ir, savo ruožtu, buvo sureguliuojamas pagrindinio laikrodžio, kuris buvo apsaugotas nuo mechaninių trikdžių.

Nors Shortt‘o laikrodžiai pradėjo keisti Rieflerio laikrodžius 3-iame dešimtm. jų viešpatavimas buvo trumpalaikis. 1828 m. Warren A. Marrison, Bell laboratorijos Niujorke inžinierius, atrado ypač tikslų ir patikimą dažnio šaltinį. Pradžioje sukurtas radijo transliavimo tikslams, kvarco kristalas, sužadintas elektros srove, vibruoja labai tiksliai. Pirmųjų kvarco laikrodžių, įrengtų Karališkoje observatorijoje 1939-ais, paklaida tebuvo dvi tūkstantosios sekundės dalys per dieną. Antrojo pasaulinio karo pabaigoje tas tikslumas buvo padidintas iki sekundės per 30 metų.

Tačiau ir kvarciniai laikrodžiai neliko lyderiais ilgam laikui. 1948 m. Harold Lyons ir kolegos iš Nacionalinio standartų biuro Vašingtone, įrengė pirmąjį atominį laikrodį, kuris rėmėsi natūraliu atomo rezonansiniu dažniu, kylančiu iš periodinio dviejų energetinių būsenų kaitaliojimosi. Tolimesni tyrinėjimai 6- me dešimtm., atlikti JAV ir Anglijoje, leido sukuri cezio spindulių atominį laikrodį. Dabar jie, veikiantys įvairiose pasaulio vietose, palaiko Koordinuojamo Visuotinio laiko standartinį dažnį, - ir jų paklaida tėra mažiau nei viena nanosekundė per dieną.

Iki 20 a. vidurio, laiko standartu buvo paros trukmė. Cezio laikrodžių atsiradimas privertė keisti požiūrį – jie leido išmatuoti pasikeitimus Žemės sukimesi. Todėl 1967 m. buvo priimtas naujas laiko vieneto standartas, kuris remiasi cezio atomo rezonansiniu dažniu.

Tačiau laiko matavimo tikslumas yra toks svarbus, kad tebeieškoma dar didesnio tikslumo. Būsimų atominių laikrodžių kartos (kaip vandenilio mazeris, cezio fontanas ir, atskiru atveju, optinis laikrodis) paklaida bus, kaip tikimasi, 100 femtosekundžių per dieną.

20 a. 7 dešimtm. pabaigoje laikrodininkai atsigręžė į elektroninius tranzistorinius osciliatorius, kurių nymios vibracijos paverčiamos laiko rodmenimis. Tuo pat metu atsirado pigios, mažai energijos naudojančios integrinės schemos bei šviesą skleidžiantys diodai (LED). Laikrodininkai netruko pritaikyti kvarco kristalus, paimtus iš radijo transmiterių. Šie yra pjezoelektrikai, kurie vibruoja kai paveikiami elektros srove. Tada jie vibruoja rezonuojančiai, tarsi skambutis. Tada virpesiai konvertuojami į pulsacijas, tinkančias laikrodžių skaitmeninėms schemoms, atvaizduojančioms laiką LED ekranuose arba judinančiomis laikrodžio rodykles. atomic clock schema

Juose laiko skaičiavimas atliekamas pagal dažnį sukeltą cezio-133 atomų sukinio pokyčiu, kurį sukelia paveikus mikrobangomis. Vakuume šeši lazeriai sulėtina cezio dujų atomų judėjimą, suformuodami nedidelį debesėlį. Viršutinių ir apatinių lazerių dažnio pakeitimas atominį debesį pakelia aukštyn, tarsi fontaną, per magnetiškai suformuotą mikrobangų ertmę. Gravitacijai spaudžiant debesį atgal žemyn, debesies elektronai (vadinamojoje Ramsey ertmėje) sąveikauja su mikrobangomis sąveikauja antrą kartą. Mikrobangos paveikia elektronų sukinius, pakeisdami jų kvantines energetines būsenas. Debesiui tebekrentant toliau, lazerinis zondas priverčia cezį fluorescuoti, atskleidžiant, ar jo elektronų sukiniai pasikeitė, - ir tai stebi detektorius. Detektoriaus signalai panaudojami nežymioms korekcijoms suderinant mikrobangų emiterį tikslesniam rezonansiniam dažniui, kurį galima panaudoti laiko apskaitai.

Atominiame laikrodyje sekundė apibrėžiama kaip 9 192 631 770 cesio-133 virpesių.

Normanas Ramsey (1915-2011), eksperimentinės fizikos specialistas, Antrojo pasaulinio karo metu dalyvavo kuriant atominę bombą. Po karo grįžo prie magnetų ir radiacijos tyrimų. Jis išsiaiškino, kaip galima išvengti klaidų ir patobulinti matavimą. Rezultatas – pirmasis atominis laikrodis, o už tuos darbus jam ir porai jo kolegų 1989 m. skirta Nobelio fizikos premija.

O kelias iki atominių laikrodžių buvo toks:
1979 m. lordas Kelvinas pirmasis pradeda mąstyti apie atomų matuojamą laiką;
1945 m. Isidoras Rabi įrodo, kad įmanoma pagaminti atominį laikrodį;
1949 m. sukuriamas pirmasis atominis laikrodis, kurio pagrindą sudaro amoniako molekulės, tačiau jis nėra tikslesnis už kvarcinį laikrodį;
1955 m. Jackas Perry ir Louisas Essenas^**) pagamina pirmą tikslų atominį laikrodį cezio pagrindu;
1967 m. sekundė apibrėžiama kaip 9 192 631 770 cesio-133 virpesių; ankstesnis apibrėžimas buvo 1/86400 vidutinės saulės dienos; 1972 m. Grinvičo laikas pakeičiamas nauju laiko zonų standartu – pasauliniu koordinuotuoju laiku, kurio pagrindas yra atominiais laikrodžiais matuojamas laikas;
1999 m. JAV mokslininkai pagamina NIST-F1 su lazeriu vėsinamais cezio atomais, kurio paklaida – 1 sek. per 20 mln. m.
2005 m. Londono NFL sukuriamas dar tikslesnis laikrodis su stroncio jonais.
2011 m. NFL laikrodis pripažįstamas tiksliausiu, nes jis 1 sek. paklaidą tepadarys tik per 138 mln. m. 2013 m. rugpjūčio 22 d. paskelbta, kad JAV sukūrė laikrodį naudojant iki -273^o C atšaldytus iterbio atomus, teigiant, kad 1 sek. paklaidą padarys per 13,8 mlrd. m.

^*) Elis Teris (Eli Terry Sr., 1772-1852) - amerikiečių išradėjas ir laikrodininkas Konektikute, užpatentavęs laikrodžio lentynoje mechanizmą. Jis laikrodžių gaminimą pavertė masine gamyba, leidusia laikrodžius įsigyti daugeliui žmonių. Jis išvystė pakeičiamų detalių gamybą. Pirmieji jo laikrodžiai buvo įrengiami mediniuose korpusuose. Taip pat jis yra pagaminęs ir tris laikrodžius bokštams (įrengtus bažnyčiose). Jo sūnaus garbei pavadintas Konektikuto miestelis Terryville – jo 3 sūnūs taip pat tapo laikrodininkais.

^**) Liuisas Esenas (Louis Essen, 1908-1997) – anglų fizikas eksperimentatorius, kūręs kvarcinius ir atominius laikrodžius. Taip pat žinomas tiksliu šviesos greičio išmatavimu (1946). 1955 m. sukūrė pirmą atominio dažnio standartą cezio pluošto pagrindu, kurio dėka 1958 m. įkurta laiko tarnyba. Vėliau 1871 m. straipsnyje neigė šiuolaikinę specialiosios reliatyvumo teorijos interpretaciją (ypač dėl laiko delsimo).