Однако, продолжим.

Я расскажу вам, друг мой, как устроены "Атомные Часы".

Как договаривались.

- СНАЧАЛА.

Для начала, я сообщу вам - Часы НЕ ИЗМЕРЯЮТ ВРЕМЯ.

Да-да, вы не очитались.

Часы измеряют ДЛИНУ пробега ДВИЖУЩЕЙСЯ ДЕТАЛИ (ДД).

Эта самая ДД, пробег которой измеряют часы может быть ЛЮБОЙ, выглядеть весьма экзотически, но она ЕСТЬ ВСЕГДА.

В песочных часах это - ПЕСЧИНКИ, перебегающие из верхней колбы в нижнюю.

В бабушкиных "ходиках" - Гиря на цепочке, спускающаяся сверху в низ.

В» электронном хронометре» – Заряды, переползающие от "плюса" к "минусу".

Механизм часов лишь ПОКАЗЫВАЕТ пройденное ДВИЖУЩЕЙСЯ ДЕТАЛЬЮ расстояние.

Вообще, самые простые часы можно сделать из «рулетки» и куска мыла.

Раскатайте по полу «рулетку», и покатите вдоль нее мыло со скорость, например, - 1 м/сек (трением мыла об пол, и воздух пренебрегаем).

Линейка – циферблат Часов.

Мыло – Движущаяся Деталь Часов, по совместительству - Показывающее Устройство (ПУ).

Мыло скользит вдоль шкалы рулетки, и своим телом показывает на циферблате «время».

Между прочим, до тысячных долей секунды!

Отличные Часы, простые, точные и надежные!

Но!

Имеют существенный недостаток.

Какой?

- Длинные очень!

Циферблат Часов на Половину суток (как у обычных настенных) будет длиной…

12*60*60 = 43200 м.

С такими Часами могут не пустить в метро.

Да, и из кармана сильно торчат.

Инженеры быстро усовершенствовали механизм.

Теперь, ДД в Часах либо бегает по КРУГУ, - либо БОЛТАЕТСЯ ТУДА-СЮДА - Колеблется.

Это сразу сняло проблему РАЗМЕРОВ Девайса.

НО, САМОЕ ГЛАВНОЕ!

Позволило измерять пробег ГДД ПРОСТЫМ ПОДСЧЕТОМ кругов или Туда-сюдайных пробежек - ЦИКЛОВ.

К тому же, применение Периодического (Колебательного) Движения ГДД позволило использовать такое замечательное свойство Механических Колебательных Систем, как ЧАСТОТА СОБСТВЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ.

То есть, одновременно появилась хорошая возможность сделать «ХОД ЧАСОВ» равномерным.

С тех пор, в подавляющем числе Часов используется КОЛЕБЛЮЩАЯСЯ (болтающаяся туда-сюда) ДЕТАЛЬ.

Назовем ее - ГЛАВНАЯ ДВИЖУЩАЯСЯ ДЕТАЛЬ (ГДД).

Сейчас, друг мой, я открою вам еще одну сакральную тайну «темпорологии»!

Как бы НЕ назывались Часы, «Механические», «Электромеханические», «электронные», «атомные», «квантовые»…и т.д.

ВСЕГДА и ВЕЗДЕ!

Подчеркиваю!

Всегда!

И

Везде!

Главная движущаяся Деталь – МЕХАНИЧЕСКАЯ КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА!

В «ходиках» - качающийся Маятник.

В наручных механических – вихляющийся Пружинный Маятник.

В Электромеханических – Крутящийся ротор Генератора.

В «электронных кварцевых» - Вибрирующий, трепещущий кусок Пьезоэлектрического материала.

В «атомных» - …..

…Прежде чем расковырять для Вас «атомные часы», остановим свое внимание на Часах «Кварцевых».

Крутящаяся на пружине деталька механических часов оказалась очень хорошим «маятником».

Но, можно СОВМЕСТИТЬ в одном устройстве и ПРУЖИНУ такого «маятника» и «колесо»!

Любой кусок твердого упругого материала, особенно кристаллического, КОЛЕБЛЕТСЯ (звенит), если его стукать!

Причем, «ЗВЕНИТ» с очень стабильной частотой.

Нужно только заставить кусочек кристаллического вещества «звенеть» не затухая, и научиться ПОДСЧИТЫВАТЬ число колебаний поверхностей «КРИСТАЛЛА».

Тут, как всегда вовремя, подоспел и технический прогресс.

Я имею в виду бурное развитие электроники.

Инженеры быстро научились делать «Электронные кварцевые генераторы»

Помогло одно очень полезное свойство некоторых кристаллических веществ, в частности кварца, электрически поляризоваться при деформации, и наоборот, деформироваться, если к куску кварца приложить электричество.

Такие вещества называются «Пьезоэлектрики»

Это позволило включить в цепь обратной связи генераторов КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР.

А сами генераторы стали называть «кварцевыми».

Причем, даже, если в качестве резонатора использовался и не кварц вовсе.

Собственная частота «звона» КВАРЦЕВЫХ пластинок поразительно стабильна.

А сами «КВАРЦЫ» необыкновенно удобны в применении.

Дешевы, компактны, легко встраиваются в схемы, потребляют мало электроэнергии, не боятся вибраций и т.д..

Сегодня на планете непрерывно маслают миллиарды «кварцевых генераторов».

Собственная частота колебаний «Кварцевого» Резонатора зависит от геометрических размеров и формы, собственно, куска используемого Пьезоэлектрика.

И, поэтому само собой, сильно зависит от Условий «окружающей среды».

От температуры, атмосферного давления, влажности.

Все эти напасти изменяют ГЕОМЕТРИЮ тела «кварца» и, как следствие, - его «резонансную частоту».

Инженеры сравнительно легко решили эти проблемы.

Научились учитывать температуру, давление и влажность (компенсированные кварцевые осцилляторы), или в особых случаях обеспечением стабильных внешних условий, - стабилизацией температуры, давления влажности… (стабилизированные «кварцевые осцилляторы»).

Все бы хорошо!

НО!

Как бы хорошо не приготавливался материал для резонатора, как бы тщательно не изготавливались сами пластинки.

В них остаются механические напряжения, которые со временем ИЗМЕНЯЮТ резонансные свойства устройства.

«Кварцы» стали ТРЕНИРОВАТЬ, многократно подвергая нагреванию и охлаждению.

Помогло.

Характеристики резонаторов стали более предсказуемы.

Но, хотелось лучшего!

Инженеры справедливо предположили, что чем МЕНЬШЕ размеры резонатора, чем меньше в нем Вещества, тем менее он подвержен внутренним и внешним изменениям.

И стали уменьшать размер пластинок.

Размеры «кварцев» уменьшались, а характеристики их становились все более стабильными.

Пока не стали минимально возможными для того, чтобы устойчиво работать в электронных схемах.

Это позволило создать генераторы электрических колебаний с невероятной стабильностью до 12 – 14 знаков.

Но!

Только в течение нескольких месяцев.

Потом поведение кварца, все равно, становилось Непредсказуемым.

Что делать?

Дальше уменьшать размеры «рабочего тела»?

Логично ведь!?

Чем меньше Атомов в Тельце резонатора, тем меньше у Тельца резонатора возможностей менять свое «внутреннее и внешнее оформление».

А какое минимальное количество Атомов в Теле Резонатора возможно?

- Правильно

ОДИН!

Самый лучший «кварц» - «кварц», состоящий из ЕДИНСТВЕННОГО атома.

Оценим Атом, как Механическую Колебательную Систему

Атом – все еще ВЕЩЕСТВО.

Атом – Механическая Система.

Атом состоит их ДВИЖУЩИХСЯ Частей.

А значит, имеет СОБСТВЕННУЮ ЧАСТОТУ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ.

Кроме того, Атом состоит из РАЗНОЗАРЯЖЕННЫХ частей.

При деформации поляризуется.

Под воздействием электрического «поля» - Деформируется.

А значит, ПРИГОДЕН для использования в качестве ГДД.

Резонатор из Одного Атома Превосходная колебательная система,

слабо подверженная изменениям, связанным с внутренними напряжениями!

Но!

Как всегда это гадское «НО!».

К одинокому Атому НЕ припаяешь провода.

Одинокого Атома не зажмешь между электродами.

Одинокий Атом НЕ впендирюшь в схемку Генератора.

А, ХОЧЕТСЯ!

И Инженеры, разумеется, выкрутились!

Если нельзя прикрутить проводами Атом к электродам?

Но, можно Атом запустить между электродами.

Сказано сделано.

Вообще для использования в качестве «маятника» в «атомных часах» пригоден ЛЮБОЙ атом.

Но, атом Цезия оказался очень подходящим.

Инженеры сделали специальную «атомную цезиевую пушку», которая выпускает атомы Цезия тонюсенькой струйкой, сжимает, и вытягивает эту струйку до тех пор, пока струйка не распадается, практически в цепочку летящих «цугом» Атомов.

Атомы направляются между двумя электродами, к которым прикладывают переменное напряжение.

Переменное электрическое поле, возникающее между электродами, воздействует на заряженные части Атома Цезия, заставляя «дребезжать», и «толкаться» в струйке других таких же.

В результате такого «дребезга» пучок атомов «пушится», «распухает», в зазоре между электродами, меняется его сечение, и форма.

Понятно, что «пушистость», характер пучка, форма струйки атомов меняется, если Частота приложенного напряжения СОВПАДАЕТ с Собственной Частотой Колебаний Атома.

Специальное Следящее Устройство отслеживает эти изменения состояние Пучка (степень его деформации в зазоре между электродами), и формирует специальный сигнал, который в дальнейшем используется для КОРРЕКЦИИ Частоты ХОРОШЕГО «КВАРЦЕВОГО» ГЕНЕРАТОРА, так, что бы эта частота совпадала с Собственной Частотой Механических Колебаний Атома Цезия.

Да. Друг мой, вот так СКУЧНО и НЕ ГЛАМУРНО устроены «АТОМНЫЕ ЦЕЗИЕВЫЕ ЧАСЫ»!

Ничего в них не «квантует», не «распадется», и не «щелкает по Гейгеру»

«Атомные Часы» - это просто очень хорошие «кварцевые часы» - Генератор Электрических Импульсов, в котором используется ДВА « КВАРЦЕВЫХ» РЕЗОНАТОРА.

Один, ГЛАВНЫЙ Большой МАКРО-«кварц» используется собственно в схеме генератора непосредственно.

Второй - набор из сотен тысяч крошечных одинаковых МИКРО-«кварцов», состоящих из ОДНОГО ЕДИНСТВЕННОГО атома Цезия (каждый раз нового) используется для Стабилизации работы Большого.

Для КОРРЕКЦИИ ошибок, которые возникают при длительной эксплуатации ГЛАВНОГО.

Атом цезия все еще большой, и сложный.

Дальнейшее совершенствование «атомного хронометра» шло по привычной схеме – уменьшения размеров «кварца»-атома.

Какай самый простой и маленький атом?

- Правильно.

Это – атом Водорода.

Естественно самые точные «атомные часы» делают из водородных атомов.

Стабильность «водородного стандарта частоты, и времени» еще на порядок лучше, чем у цезиевого.

Но, водородные часы имеют существенный недостаток.

Рабочее тело (запас атомов) приходится хранить в специальном баллоне, а поскольку газ довольно быстро расходуется, а баллоны тяжелые, поэтому в моюильных устройствах водородные часы используются крайне редко.

Остроумное, невероятно изящное техническое решение, использующее преимущества обоих «маятников», и преодолевающее их недостатки.

Получился превосходный «хронометр», на самом деле просто генератор электрических импульсов, обладающий выдающейся стабильностью.

Но, как всегда за совершенство приходится ПЛАТИТЬ.

Атом – все еще ВЕЩЕСТВО, и подвержен действию тяготения.

То есть, на атомы, пролетающие в трубке Атомного Стабилизатора Частоты, действуют и «Притяжение», и «Инерция».

Одноатомный «кварц», подарил Генератору «Атомных часов» невиданную стабильность.

Но, сделал «Атомные Часы» чувствительными к «гравитации».

«Атомные часы», в отличие от просто «кварцевых», меняют «темп хода» при перевозках на больших скоростях, или в «невесомости» на орбите.

Но, эту проблему преодолевают в общем несложным способом.

После установки, и запуска «атомных часов» на постоянном месте, например, в подвале Метрологического центра, или на Спутнике GPS.

В их работу вносят ПОПРАВКИ на местный уровень «гравитации».

Гламурная «квантовая физика», норовит прилепить ярлык «квантовый» на все без исключения творения Инженеров, и Физиков.

Не избежали этой участи и Атомные Часы.

Однако, друзья, теперь вы знаете, что Атомные Часы «квантовые», не более, чем бабушкины ходики.

А, вся эта словесная шелуха, вроде «Квантовый хронометр», «квантовый переход атома цезия».. и т.д.

Все это - ПОНТЫ!

Дешевая ботва, предназначенная для «разведения кроликов».

Друзья!

Не будьте «кроликами»!

Не позволяйте «квантологам» себя разводить!