Jak fungují atomové hodiny a GPS?
Bill Hammack nám v tomto videu ukáže, jak fungují takzvané atomové hodiny, které jsou nejpřesnějším měřidlem času na Zemi. Také se dozvíte, jakou roli hrají v systému GPS.
Přepis titulků
JAK FUNGUJÍ ATOMOVÉ HODINY Chci vám ukázat něco úžasného. První komerčně dostupné
atomové hodiny o velikosti čipu. CSAC od Symmetriconu. Tento malý předmět o velikosti
čtvrťáku jsou atomové hodiny. Nejpřesnější atomové hodiny se zpozdí
každých 138 milionů let o jedinou sekundu. Jejich způsob fungování mě udivuje. Vysvětlím vám ho.
Začnu se želé. Tento kus želé se třese. Stejně jako kyvadlo v dědečkových hodinách i kmity v tomto želé si zachovávají rytmus. Želé pro to není moc vhodné, ale v atomových hodinách se nachází kus křemene podobného tvaru, na který když poklepeme výbojem, bude oscilovat 5milionkrát za sekundu. Tato oscilace se mění asi o 1 sekundu každých 90 tisíc let a to na atomové hodiny nestačí.
Oscilace v křemeni se zpomaluje a musí být obnovována pošťouchnutím. A tady se uplatní to slovo atomové v názvu. K přesnému ovládání těchto pošťouchnutí používáme atomy cesia. Pokaždé, když se oscilace i o maličko zpomalí, poklepeme v ten správný okamžik na křemen výbojem, tudíž oscilace je vždy stálá. Ukážu vám, jak to cesium dokáže.
Atomy čistého cesia existují většinou ve dvou podobných stavech. Ve stavu s nižší energií a ve stavu s lehce vyšší energií. Tyto dva stavy jsou kriticky důležité pro vytvoření atomových hodin. Zaprvé, mohou být odděleny magnetem a zadruhé, atomy mohou být převedeny z nižší energie na vyšší, pokud je vystavíme správné vlnové délce. Inženýři propojili zpomalení vibrací s přesnou vlnovou délkou bombardujícího záření a tak vytvořili zpětnou vazbu.
Ukážu vám jak to funguje. V peci zahříváme chlorid cesný, čímž vytvoříme proud iontů cesia. Proud obsahuje ionty na nízké i vysoké energii. Nejprve projde magnetem, který oba druhy oddělí. Ty s vysokou energií odstraní a těm s nízkou umožní vstoupit do komory. V komoře je bombardujeme přesnou vlnovou délkou, abychom je dostali na vyšší energii. Všechny ionty opustí komoru a projdou dalším magnetem, který usměrní ionty s vysokou energií do detektoru a odstraní všechny ionty s nízkou energií.
Detektor přemění dopadající ionty na proud. Trikem je propojení proudu z detektoru s křemenným oscilátorem. Když se oscilace v oscilátoru trochu zpomalí, vlnová délka bombardující ionty se v komoře změní, začne z ní vycházet méně iontů na vysoké energii a proud se zmenší nebo zmizí. To elektronice řekne, že má klepnout do oscilátoru a opravit rychlost oscilace.
To se dělá za použití správného napětí, které pomocí piezoelektrického jevu poklepe na křemen a oscilace obnoví. Tím vzniknou hodiny, které se za mnoho milionů let zpozdí jen o vteřinu. Naše společnost závisí na přesnosti. Například Globální polohovací systém, čili GPS, ji vyžaduje. Globální polohovací systém se skládá ze 24 satelitů na oběžné dráze. GPS přijímač ke zjištění polohy používá signál ze 4 satelitů.
Jeden k nastavení času na přijímači a další tři k určení polohy. Funguje to tak, že první satelit vyšle k přijímači signál, který obsahuje údaje o přesné poloze a času odeslání. Přijímač vynásobí čas letu signálu rychlostí světla a tím zjistí vzdálenost od satelitu. S jedním satelitem přijímač ví, že se nachází na povrchu koule, jejíž poloměr se rovná vzdálenosti od družice. S druhým satelitem se provede stejný výpočet.
Průsečík těchto koulí zmenší oblast na obvod kruhu. Díky třetímu satelitu může přijímač určit přesnou pozici. Protože signál cestuje rychlostí světla, tak i 1 milisekunda znamená chybu 1 milionu stop, což je asi 300 km. Díky přesnosti atomových hodin dokáže přijímač určit přesnost na 1 metr. Jsem Bill Hammack, EngineerGuy. Toto video je založeno na kapitole knihy 8 úžasných inženýrských příběhů. V knize se o tomto tématu dočtete víc.
O knize více zjistíte na této adrese. Překlad: Mithril www.videacesky.cz
Začnu se želé. Tento kus želé se třese. Stejně jako kyvadlo v dědečkových hodinách i kmity v tomto želé si zachovávají rytmus. Želé pro to není moc vhodné, ale v atomových hodinách se nachází kus křemene podobného tvaru, na který když poklepeme výbojem, bude oscilovat 5milionkrát za sekundu. Tato oscilace se mění asi o 1 sekundu každých 90 tisíc let a to na atomové hodiny nestačí.
Oscilace v křemeni se zpomaluje a musí být obnovována pošťouchnutím. A tady se uplatní to slovo atomové v názvu. K přesnému ovládání těchto pošťouchnutí používáme atomy cesia. Pokaždé, když se oscilace i o maličko zpomalí, poklepeme v ten správný okamžik na křemen výbojem, tudíž oscilace je vždy stálá. Ukážu vám, jak to cesium dokáže.
Atomy čistého cesia existují většinou ve dvou podobných stavech. Ve stavu s nižší energií a ve stavu s lehce vyšší energií. Tyto dva stavy jsou kriticky důležité pro vytvoření atomových hodin. Zaprvé, mohou být odděleny magnetem a zadruhé, atomy mohou být převedeny z nižší energie na vyšší, pokud je vystavíme správné vlnové délce. Inženýři propojili zpomalení vibrací s přesnou vlnovou délkou bombardujícího záření a tak vytvořili zpětnou vazbu.
Ukážu vám jak to funguje. V peci zahříváme chlorid cesný, čímž vytvoříme proud iontů cesia. Proud obsahuje ionty na nízké i vysoké energii. Nejprve projde magnetem, který oba druhy oddělí. Ty s vysokou energií odstraní a těm s nízkou umožní vstoupit do komory. V komoře je bombardujeme přesnou vlnovou délkou, abychom je dostali na vyšší energii. Všechny ionty opustí komoru a projdou dalším magnetem, který usměrní ionty s vysokou energií do detektoru a odstraní všechny ionty s nízkou energií.
Detektor přemění dopadající ionty na proud. Trikem je propojení proudu z detektoru s křemenným oscilátorem. Když se oscilace v oscilátoru trochu zpomalí, vlnová délka bombardující ionty se v komoře změní, začne z ní vycházet méně iontů na vysoké energii a proud se zmenší nebo zmizí. To elektronice řekne, že má klepnout do oscilátoru a opravit rychlost oscilace.
To se dělá za použití správného napětí, které pomocí piezoelektrického jevu poklepe na křemen a oscilace obnoví. Tím vzniknou hodiny, které se za mnoho milionů let zpozdí jen o vteřinu. Naše společnost závisí na přesnosti. Například Globální polohovací systém, čili GPS, ji vyžaduje. Globální polohovací systém se skládá ze 24 satelitů na oběžné dráze. GPS přijímač ke zjištění polohy používá signál ze 4 satelitů.
Jeden k nastavení času na přijímači a další tři k určení polohy. Funguje to tak, že první satelit vyšle k přijímači signál, který obsahuje údaje o přesné poloze a času odeslání. Přijímač vynásobí čas letu signálu rychlostí světla a tím zjistí vzdálenost od satelitu. S jedním satelitem přijímač ví, že se nachází na povrchu koule, jejíž poloměr se rovná vzdálenosti od družice. S druhým satelitem se provede stejný výpočet.
Průsečík těchto koulí zmenší oblast na obvod kruhu. Díky třetímu satelitu může přijímač určit přesnou pozici. Protože signál cestuje rychlostí světla, tak i 1 milisekunda znamená chybu 1 milionu stop, což je asi 300 km. Díky přesnosti atomových hodin dokáže přijímač určit přesnost na 1 metr. Jsem Bill Hammack, EngineerGuy. Toto video je založeno na kapitole knihy 8 úžasných inženýrských příběhů. V knize se o tomto tématu dočtete víc.
O knize více zjistíte na této adrese. Překlad: Mithril www.videacesky.cz
Komentáře (0)