Tại sao đồng hồ nguyên tử lại chính xác nhất? Sơ lược về lịch sử dụng cụ chấm công nguyên tử

Đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, sai số một giây trong 300 triệu năm. Chiếc đồng hồ này, thay thế cho mẫu cũ có sai số một giây trong một trăm triệu năm, giờ đây đã trở thành tiêu chuẩn cho thời gian dân sự của Hoa Kỳ. Lenta.ru quyết định nhớ lại lịch sử tạo ra đồng hồ nguyên tử.

nguyên tử đầu tiên

Để tạo đồng hồ, chỉ cần sử dụng bất kỳ quy trình định kỳ nào là đủ. Và lịch sử xuất hiện của các thiết bị đo thời gian một phần là lịch sử xuất hiện của các nguồn năng lượng mới hoặc các nguồn năng lượng mới. hệ thống dao động sử dụng trong giờ. Đồng hồ đơn giản nhất có lẽ là đồng hồ mặt trời, chỉ cần mặt trời và một vật thể đổ bóng để hoạt động. Nhược điểm của phương pháp xác định thời gian này là rõ ràng. Nước và đồng hồ cát cũng không tốt hơn: chúng chỉ thích hợp để đo khoảng thời gian tương đối ngắn.

Chiếc đồng hồ cơ lâu đời nhất được tìm thấy vào năm 1901 gần đảo Antikythera trên một con tàu bị chìm ở biển Aegean. Chúng chứa khoảng 30 bánh răng bằng đồng trong hộp gỗ có kích thước 33 x 18 x 10 cm và có từ khoảng năm 100 trước Công nguyên.

Trong gần hai nghìn năm, đồng hồ cơ là chính xác và đáng tin cậy nhất. Sự xuất hiện vào năm 1657 của tác phẩm kinh điển "Đồng hồ quả lắc" của Christian Huygens ("Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato trình diễn hình học") với mô tả về một thiết bị tham chiếu thời gian với con lắc là một hệ dao động, có lẽ là apogee trong lịch sử phát triển của các thiết bị cơ khí loại này.

Tuy nhiên, các nhà thiên văn học và nhà hàng hải vẫn sử dụng bầu trời đầy sao và bản đồ để xác định vị trí và thời gian chính xác của họ. Đồng hồ điện đầu tiên được phát minh vào năm 1814 bởi Francis Ronalds. Tuy nhiên, thiết bị đầu tiên như vậy không chính xác do nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ.

Lịch sử xa hơn của đồng hồ được kết nối với việc sử dụng các hệ thống dao động khác nhau trong các thiết bị. Được giới thiệu vào năm 1927 bởi các nhân viên của Phòng thí nghiệm Bell, đồng hồ thạch anh đã sử dụng các đặc tính áp điện của tinh thể thạch anh: khi tiếp xúc với dòng điện tinh thể bắt đầu co lại. Đồng hồ bấm giờ thạch anh hiện đại có thể đạt được độ chính xác lên tới 0,3 giây mỗi tháng. Tuy nhiên, vì thạch anh có thể bị lão hóa nên theo thời gian, đồng hồ trở nên kém chính xác hơn.

Với sự phát triển vật lý nguyên tử các nhà khoa học đề xuất sử dụng các hạt vật chất làm hệ dao động. Đây là cách chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên xuất hiện. Ý tưởng về khả năng sử dụng các rung động nguyên tử của hydro để đo thời gian đã được đề xuất vào năm 1879 bởi nhà vật lý người Anh Tuy nhiên, Lord Kelvin, chỉ đến giữa thế kỷ 20, điều này mới có thể thực hiện được.

Sao chép một bức tranh của Hubert von Herkomer (1907)

Vào những năm 1930, nhà vật lý người Mỹ và là người phát hiện ra cộng hưởng từ hạt nhân, Isidore Rabi, bắt đầu nghiên cứu đồng hồ nguyên tử cesium-133, nhưng chiến tranh bùng nổ đã ngăn cản ông. Ngay sau chiến tranh, vào năm 1949, chiếc đồng hồ phân tử đầu tiên sử dụng các phân tử amoniac đã được tạo ra tại Ủy ban Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ với sự tham gia của Harold Lyonson. Nhưng những dụng cụ đo thời gian đầu tiên như vậy không chính xác như đồng hồ nguyên tử hiện đại.

Độ chính xác tương đối thấp là do thực tế là do sự tương tác của các phân tử amoniac với nhau và với thành bình chứa chất này, năng lượng của các phân tử thay đổi và các vạch quang phổ của chúng mở rộng. Hiệu ứng này rất giống với ma sát trong đồng hồ cơ.

Sau đó, vào năm 1955, Louis Esssen của Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Vương quốc Anh đã giới thiệu đồng hồ nguyên tử caesium-133 đầu tiên. Đồng hồ này tích lũy sai số một giây trong một triệu năm. Thiết bị được đặt tên là NBS-1 và bắt đầu được coi là tiêu chuẩn tần số Caesium.

sơ đồ mạchđồng hồ nguyên tử bao gồm một bộ tạo dao động thạch anh được điều khiển bởi một bộ phân biệt đối xử theo sơ đồ Phản hồi. Bộ tạo dao động sử dụng các đặc tính áp điện của thạch anh, trong khi bộ phân biệt sử dụng các dao động năng lượng của các nguyên tử, do đó các dao động của thạch anh được theo dõi bởi các tín hiệu từ sự chuyển đổi từ các mức năng lượng khác nhau trong nguyên tử hoặc phân tử. Giữa bộ tạo và bộ phân biệt có một bộ bù được điều chỉnh theo tần số rung động nguyên tử và so sánh nó với tần số rung động của tinh thể.

Các nguyên tử được sử dụng trong đồng hồ phải cung cấp các dao động ổn định. Mỗi tần số của bức xạ điện từ có các nguyên tử riêng: canxi, stronti, rubidi, xêzi, hydro. Hoặc thậm chí là các phân tử amoniac và iốt.

tiêu chuẩn thời gian

Với sự ra đời của các dụng cụ đo thời gian nguyên tử, người ta có thể sử dụng chúng như một tiêu chuẩn chung để xác định giây. Từ năm 1884, giờ Greenwich, được coi là tiêu chuẩn thế giới, đã nhường chỗ cho tiêu chuẩn của đồng hồ nguyên tử. Năm 1967, theo quyết định của Đại hội lần thứ 12 về Cân đo, một giây được định nghĩa là khoảng thời gian của 9192631770 chu kỳ bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức siêu mịn của trạng thái cơ bản của nguyên tử cesium-133. Định nghĩa giây này không phụ thuộc vào các tham số thiên văn và có thể được tái tạo ở bất kỳ đâu trên hành tinh. Caesium-133, được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử tiêu chuẩn, là đồng vị ổn định duy nhất của Caesium với 100% độ phong phú trên Trái đất.

Đồng hồ nguyên tử cũng được sử dụng trong hệ thống định vị vệ tinh; chúng cần thiết để xác định thời gian và tọa độ chính xác của vệ tinh. Do đó, mỗi vệ tinh của hệ thống GPS có bốn bộ đồng hồ như vậy: hai rubidi và hai xêzi, cung cấp độ chính xác truyền tín hiệu là 50 nano giây. Các vệ tinh của hệ thống GLONASS của Nga cũng có các thiết bị đo thời gian nguyên tử cesium và rubidi, và các vệ tinh của hệ thống định vị châu Âu đang mở rộng Galileo được trang bị các thiết bị hydro và rubidi.

Độ chính xác của đồng hồ hydro là cao nhất. Nó là 0,45 nano giây trong 12 giờ. Rõ ràng, việc sử dụng như vậy của Galileo đồng hồ chính xác sẽ đưa hệ thống định vị này lên hàng đầu vào năm 2015, khi 18 vệ tinh của nó sẽ ở trên quỹ đạo.

Đồng hồ nguyên tử nhỏ gọn

Hewlett-Packard là công ty đầu tiên phát triển đồng hồ nguyên tử nhỏ gọn. Năm 1964, bà đã tạo ra nhạc cụ HP 5060A caesium, kích thước của một chiếc vali lớn. Công ty tiếp tục phát triển theo hướng này, nhưng kể từ năm 2005, công ty đã bán bộ phận đồng hồ nguyên tử của mình cho Symmetricom.

Năm 2011, Phòng thí nghiệm Draper và Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia đã phát triển và Symmetricom đã phát hành đồng hồ nguyên tử thu nhỏ Lượng tử đầu tiên. Vào thời điểm xuất xưởng, chúng có giá khoảng 15 nghìn đô la, được đựng trong hộp kín có kích thước 40 x 35 x 11 mm và nặng 35 gam. Mức tiêu thụ năng lượng của đồng hồ là dưới 120 milliwatt. Ban đầu, chúng được phát triển theo lệnh của Lầu Năm Góc và nhằm phục vụ các hệ thống định vị hoạt động độc lập với hệ thống GPS, chẳng hạn như sâu dưới nước hoặc trên đất liền.

Đã vào cuối năm 2013 công ty Mỹ Bathys Hawaii đã giới thiệu chiếc đồng hồ nguyên tử "đeo tay" đầu tiên. Họ sử dụng chip SA.45s do Symmetricom sản xuất làm thành phần chính. Bên trong con chip là một viên nang chứa Caesium-133. Thiết kế của đồng hồ cũng bao gồm tế bào quang điện và tia laser năng lượng thấp. Loại thứ hai cung cấp sự gia nhiệt của khí Caesium, do đó các nguyên tử của nó bắt đầu chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác. Việc đo thời gian chỉ được thực hiện bằng cách cố định một quá trình chuyển đổi như vậy. Chi phí của thiết bị mới là khoảng 12 nghìn đô la.

Xu hướng thu nhỏ, tự chủ và chính xác sẽ dẫn đến thực tế là trong tương lai gần sẽ có những thiết bị mới sử dụng đồng hồ nguyên tử trong mọi lĩnh vực của đời sống con người, từ nghiên cứu không gian trên các vệ tinh và trạm quay quanh quỹ đạo cho đến các ứng dụng trong nhà trong các hệ thống đeo tay và trong nhà.

Chúng ta thường nghe cụm từ đồng hồ nguyên tử luôn hiển thị thời gian chính xác. Nhưng từ cái tên của chúng, thật khó để hiểu tại sao đồng hồ nguyên tử lại chính xác nhất hoặc chúng hoạt động như thế nào.

Thực tế là cái tên có chứa từ "nguyên tử" hoàn toàn không có nghĩa là chiếc đồng hồ này gây nguy hiểm đến tính mạng, ngay cả khi những suy nghĩ về nó ngay lập tức xuất hiện trong đầu bạn. bom nguyên tử hoặc nhà máy điện hạt nhân. TẠI trường hợp này chúng ta chỉ đang nói về cách thức hoạt động của đồng hồ. Nếu trong đồng hồ cơ thông thường, các bánh răng thực hiện các chuyển động dao động và chuyển động của chúng được tính, thì trong đồng hồ nguyên tử, các dao động của các electron bên trong nguyên tử được tính. Để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, chúng ta hãy nhớ lại tính chất vật lý của các hạt cơ bản.

Tất cả các chất trong thế giới của chúng ta được tạo thành từ các nguyên tử. Nguyên tử được tạo thành từ proton, neutron và electron. Proton và neutron kết hợp với nhau để tạo thành một hạt nhân, còn được gọi là nucleon. Các electron chuyển động xung quanh hạt nhân, có thể ở các mức năng lượng khác nhau. Điều thú vị nhất là khi hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng, một electron có thể chuyển từ mức năng lượng của nó sang mức cao hơn hoặc thấp hơn. Một electron có thể nhận năng lượng từ bức xạ điện từ bằng cách hấp thụ hoặc phát ra bức xạ điện từ có tần số nhất định tại mỗi lần chuyển đổi.

Thông thường, có những chiếc đồng hồ trong đó các nguyên tử của nguyên tố Caesium -133 được sử dụng để thay đổi. Nếu trong 1 giây con lắc đồng hồ thông thường thực hiện 1 dao động điều hòa thì các êlectron trong đồng hồ nguyên tử dựa trên Cesium-133, khi chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, chúng phát ra bức xạ điện từ có tần số 9192631770 Hz. Nó chỉ ra rằng một giây được chia thành chính xác số khoảng thời gian này, nếu nó được tính bằng đồng hồ nguyên tử. Giá trị này đã được chính thức thông qua cộng đồng quốc tế vào năm 1967. Hãy tưởng tượng một mặt số khổng lồ, trong đó không có 60 mà là 9192631770, chỉ có 1 giây. Không có gì đáng ngạc nhiên khi đồng hồ nguyên tử rất chính xác và có một số ưu điểm: nguyên tử không già đi, không hao mòn và tần số dao động sẽ luôn giống nhau đối với một nguyên tố hóa học, nhờ đó có thể so sánh đồng thời , ví dụ, các bài đọc của đồng hồ nguyên tử ở xa trong không gian và trên Trái đất, không sợ sai.

Nhờ đồng hồ nguyên tử, nhân loại trong thực tế đã có thể kiểm tra tính đúng đắn của thuyết tương đối và chắc chắn rằng, hơn trên Trái đất. Đồng hồ nguyên tử được cài đặt trên nhiều vệ tinh và tàu vũ trụ, chúng được sử dụng cho nhu cầu viễn thông, cho Truyền thông di động, họ so sánh thời gian chính xác trên toàn bộ hành tinh. Nói không ngoa, chính nhờ việc phát minh ra đồng hồ nguyên tử mà nhân loại đã có thể bước vào kỷ nguyên công nghệ cao.

Đồng hồ nguyên tử hoạt động như thế nào?

Caesium-133 được làm nóng bằng cách làm bay hơi các nguyên tử Caesium, được truyền qua một từ trường, tại đó các nguyên tử có trạng thái năng lượng mong muốn được chọn.

Sau đó, các nguyên tử được chọn đi qua một từ trường có tần số gần bằng 9192631770 Hz, tạo ra bộ dao động thạch anh. Dưới ảnh hưởng của trường, các nguyên tử xesi lại thay đổi trạng thái năng lượng của chúng và rơi vào máy dò, máy dò này sẽ cố định khi số lớn nhất các nguyên tử rơi xuống sẽ có trạng thái năng lượng "đúng". Số tiền tối đa các nguyên tử có trạng thái năng lượng thay đổi chỉ ra rằng tần số của trường vi sóng được chọn chính xác, sau đó giá trị của nó được đưa vào một thiết bị điện tử - bộ chia tần số, khi giảm tần số đi một số nguyên lần, sẽ nhận được số 1, đó là tài liệu tham khảo thứ hai.

Vì vậy, các nguyên tử xesi được sử dụng để kiểm tra xem tần số có đúng không từ trườngđược tạo ra bởi bộ tạo dao động tinh thể, giúp giữ cho nó không đổi.

Nó là thú vị: mặc dù đồng hồ nguyên tử tồn tại ngày nay chính xác chưa từng thấy và có thể chạy không sai số trong hàng triệu năm, nhưng các nhà vật lý sẽ không dừng lại ở đó. Sử dụng các nguyên tử của các nguyên tố hóa học khác nhau, họ không ngừng làm việc để cải thiện độ chính xác của đồng hồ nguyên tử. Trong số những phát minh mới nhất - đồng hồ nguyên tử trên stronti, chính xác hơn ba lần so với đối tác Caesium của chúng. Họ sẽ mất 15 tỷ năm để chậm hơn chỉ một giây – một khoảng thời gian dài hơn cả tuổi của vũ trụ chúng ta…

Nếu bạn tìm thấy lỗi, vui lòng đánh dấu một đoạn văn bản và nhấp vào Ctrl+Enter.

Các nhà vật lý nguyên tử đã đưa ra một động lực mới trong việc phát triển các thiết bị đo thời gian.

Năm 1949, chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên được chế tạo, trong đó nguồn dao động không phải là con lắc hay bộ tạo dao động thạch anh, mà là các tín hiệu liên quan đến sự chuyển đổi lượng tử của một electron giữa hai mức năng lượng của nguyên tử.

Trên thực tế, những chiếc đồng hồ như vậy hóa ra không chính xác lắm, hơn nữa, chúng cồng kềnh, đắt tiền và không được sử dụng rộng rãi. Sau đó, nó đã được quyết định chuyển sang nguyên tố hóa học- xesi. Và vào năm 1955, chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên dựa trên nguyên tử Caesium đã xuất hiện.

Năm 1967, người ta quyết định chuyển sang tiêu chuẩn thời gian nguyên tử, vì vòng quay của Trái đất đang chậm lại và cường độ của sự chậm lại này không phải là hằng số. Điều này cản trở rất nhiều đến công việc của các nhà thiên văn học và những người canh giữ Thời gian.

Trái đất hiện đang quay với tốc độ khoảng 2 phần nghìn giây trong 100 năm.

Sự dao động trong khoảng thời gian trong ngày cũng lên tới phần nghìn giây. Do đó, độ chính xác của Giờ trung bình Greenwich (tiêu chuẩn thế giới từ năm 1884) trở nên không đủ. Năm 1967, quá trình chuyển đổi sang tiêu chuẩn thời gian nguyên tử đã diễn ra.

Ngày nay, một giây là một khoảng thời gian chính xác bằng 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ, tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức siêu mịn của trạng thái cơ bản của nguyên tử Caesium 133.

Hiện tại, Giờ phối hợp quốc tế được sử dụng làm thang thời gian. Nó được thành lập bởi Cục Trọng lượng và Đo lường Quốc tế bằng cách kết hợp dữ liệu từ các phòng thí nghiệm chấm công của các quốc gia khác nhau, cũng như dữ liệu từ Dịch vụ Vòng quay Trái đất Quốc tế. Độ chính xác của nó tốt hơn gần một triệu lần so với Giờ trung bình Greenwich thiên văn.

Một công nghệ đã được phát triển sẽ giúp giảm triệt để kích thước và giá thành của đồng hồ nguyên tử siêu chính xác, giúp chúng có thể được sử dụng rộng rãi trong thiêt bị di động phần lớn cho các mục đích khác nhau. Các nhà khoa học đã có thể tạo ra một chuẩn thời gian nguyên tử với kích thước siêu nhỏ. Những đồng hồ nguyên tử như vậy tiêu thụ ít hơn 0,075 W và có sai số không quá một giây trong 300 năm.

nhóm nghiên cứu Hoa Kỳ quản lý để tạo ra một tiêu chuẩn nguyên tử siêu nhỏ gọn. Có thể cung cấp năng lượng cho đồng hồ nguyên tử từ bình thường pin AA. Đồng hồ nguyên tử siêu chính xác, thường cao ít nhất một mét, được đặt trong một thể tích 1,5x1,5x4 mm

Một chiếc đồng hồ nguyên tử thử nghiệm dựa trên một ion thủy ngân duy nhất đã được phát triển ở Hoa Kỳ. Chúng chính xác hơn cesium năm lần, được chấp nhận là tiêu chuẩn quốc tế. Đồng hồ Caesium chính xác đến mức chênh lệch một giây sẽ chỉ đạt được sau 70 triệu năm và đối với đồng hồ thủy ngân, khoảng thời gian này sẽ là 400 triệu năm.

Năm 1982, một vật thể thiên văn mới, một ẩn tinh mili giây, đã can thiệp vào cuộc tranh cãi giữa định nghĩa thiên văn về tiêu chuẩn Thời gian và đồng hồ nguyên tử đã thắng nó. Những tín hiệu này ổn định như đồng hồ nguyên tử tốt nhất

Bạn có biết không?

Chiếc đồng hồ đầu tiên ở Rus'

Năm 1412, một chiếc đồng hồ được đặt ở Moscow trong sân của Đại công tước phía sau Nhà thờ Truyền tin, và Lazar, một tu sĩ người Serb đến từ vùng đất Serbia, đã chế tạo ra chúng. Thật không may, mô tả về những chiếc đồng hồ đầu tiên này ở Rus' đã không được bảo tồn.

________

Làm thế nào mà chuông xuất hiện trên Tháp Spasskaya của Điện Kremlin Moscow?

Vào thế kỷ 17, Christopher Galovey, người Anh, đã chế tạo chuông cho Tháp Spasskaya: vòng tròn giờ được chia thành 17 cung, kim đồng hồ duy nhất là bất động, chỉ xuống và chỉ vào bất kỳ số nào trên mặt số, nhưng mặt số sẽ tự quay.

Lưu trữ bài viết

Những “thợ đồng hồ” nào đã phát minh và hoàn thiện bộ máy cực kỳ chính xác này? Có một sự thay thế cho anh ta? Hãy cố gắng tìm ra nó.

Vào năm 2012, đồng hồ nguyên tử sẽ kỷ niệm 45 năm thành lập. Năm 1967, loại thời gian trong Hệ đơn vị quốc tế bắt đầu được xác định không phải theo thang đo thiên văn, mà theo tiêu chuẩn tần số Caesium. Người ta thường gọi nó là đồng hồ nguyên tử.

Nêu nguyên tắc hoạt động của dao động tử nguyên tử? Là một nguồn tần số cộng hưởng, các "thiết bị" này sử dụng các mức năng lượng lượng tử của các nguyên tử hoặc phân tử. Cơ học lượng tử liên quan đến hệ thống" hạt nhân nguyên tử- điện tử "một số mức năng lượng riêng biệt. Trường điện từ có tần số nhất định có thể gây ra sự chuyển đổi của hệ thống này từ cấp thấpđến một cái cao hơn. Hiện tượng ngược lại cũng có thể xảy ra: một nguyên tử có thể chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức thấp hơn với sự phát xạ năng lượng. Cả hai hiện tượng đều có thể được kiểm soát và các bước nhảy liên mức năng lượng này có thể được cố định, do đó tạo ra một vẻ bề ngoài mạch dao động. Tần số cộng hưởng của mạch này sẽ bằng hiệu năng lượng giữa hai mức chuyển tiếp, chia cho hằng số Planck.

Bộ tạo dao động nguyên tử thu được có những ưu điểm không thể phủ nhận so với các bộ tạo dao động cơ học và thiên văn của nó. Tần số cộng hưởng của tất cả các nguyên tử của chất được chọn cho bộ tạo dao động sẽ giống nhau, không giống như con lắc và tinh thể áp điện. Ngoài ra, các nguyên tử không bị hao mòn và không thay đổi tính chất theo thời gian. Một lựa chọn lý tưởng cho đồng hồ bấm giờ gần như vĩnh cửu và cực kỳ chính xác.

Lần đầu tiên, khả năng sử dụng sự chuyển đổi năng lượng giữa các mức trong nguyên tử làm tiêu chuẩn tần số đã được xem xét vào năm 1879 bởi nhà vật lý người Anh William Thomson, hay còn gọi là Lord Kelvin. Ông đề xuất sử dụng hydro làm nguồn nguyên tử cộng hưởng. Tuy nhiên, nghiên cứu của ông thiên về lý thuyết hơn. Khoa học thời đó chưa sẵn sàng để phát triển đồng hồ bấm giờ nguyên tử.

Phải mất gần một trăm năm để ý tưởng của Lord Kelvin trở thành hiện thực. Đó là một thời gian dài, nhưng nhiệm vụ cũng không dễ dàng. Biến các nguyên tử thành con lắc lý tưởng trong thực tế tỏ ra khó khăn hơn trong lý thuyết. Khó khăn nằm ở cuộc chiến với cái gọi là độ rộng cộng hưởng - một dao động nhỏ trong tần số hấp thụ và phát xạ năng lượng khi các nguyên tử di chuyển từ cấp độ này sang cấp độ khác. Tỷ lệ giữa tần số cộng hưởng với độ rộng cộng hưởng xác định chất lượng của bộ dao động nguyên tử. Rõ ràng, giá trị của độ rộng cộng hưởng càng lớn thì chất lượng của con lắc nguyên tử càng thấp. Thật không may, không thể tăng tần số cộng hưởng để cải thiện chất lượng. Nó là hằng số đối với các nguyên tử của từng chất cụ thể. Nhưng độ rộng cộng hưởng có thể giảm đi bằng cách tăng thời gian quan sát nguyên tử.

Về mặt kỹ thuật, điều này có thể đạt được theo cách sau: để một bộ tạo dao động bên ngoài, chẳng hạn như thạch anh, tạo ra bức xạ điện từ định kỳ, buộc các nguyên tử của chất cho nhảy vọt các mức năng lượng. Trong trường hợp này, nhiệm vụ của bộ điều chỉnh đồng hồ bấm giờ nguyên tử là xấp xỉ tối đa tần số của bộ dao động thạch anh này với tần số cộng hưởng của quá trình chuyển đổi giữa các nguyên tử. Điều này trở nên khả thi trong trường hợp quan sát các dao động của nguyên tử trong một khoảng thời gian đủ dài và tạo ra phản hồi điều chỉnh tần số của thạch anh.

Đúng vậy, bên cạnh vấn đề giảm độ rộng cộng hưởng trong đồng hồ bấm giờ nguyên tử, còn có nhiều vấn đề khác. Đây là hiệu ứng Doppler - sự thay đổi tần số cộng hưởng do sự chuyển động của các nguyên tử và sự va chạm lẫn nhau của các nguyên tử, gây ra sự chuyển đổi năng lượng không có kế hoạch và thậm chí là ảnh hưởng của năng lượng lan tỏa khắp vật chất tối.

Lần đầu tiên, một nỗ lực triển khai thực tế đồng hồ nguyên tử đã được các nhà khoa học tại Đại học Columbia thực hiện vào những năm ba mươi của thế kỷ trước dưới sự hướng dẫn của tương lai. người đoạt giải Nobel Tiến sĩ Isidore Rabi. Rabi đề xuất sử dụng đồng vị cesium 133 Cs làm nguồn nguyên tử con lắc. Thật không may, công việc của Rabi, mà NBS rất quan tâm, đã bị gián đoạn bởi Thế chiến II.

Sau khi hoàn thành, chức vô địch trong việc thực hiện đồng hồ bấm giờ nguyên tử đã được trao cho nhân viên NBS Harold Lyons. Bộ dao động nguyên tử của anh ấy hoạt động trên amoniac và đưa ra một lỗi tương ứng với những ví dụ tốt nhất bộ cộng hưởng thạch anh. Năm 1949, đồng hồ nguyên tử amoniac được chứng minh công chúng. Mặc dù có độ chính xác khá tầm thường, nhưng chúng đã thực hiện các nguyên tắc cơ bản của các thế hệ đồng hồ bấm giờ nguyên tử trong tương lai.

Nguyên mẫu của đồng hồ nguyên tử caesium do Louis Essen thu được cung cấp độ chính xác 1 * 10 -9, trong khi có độ rộng cộng hưởng chỉ 340 Hertz.

Một lát sau giáo sư đại học Harvard Norman Ramsey đã cải thiện ý tưởng của Isidore Rabi, giảm ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler đến độ chính xác của phép đo. Ông đề xuất thay vì một xung dài tần số cao kích thích các nguyên tử, sử dụng hai xung ngắn được gửi đến các nhánh của ống dẫn sóng ở một khoảng cách nào đó với nhau. Điều này cho phép giảm mạnh độ rộng cộng hưởng và trên thực tế, tạo ra sáng tạo có thể các bộ dao động nguyên tử, có độ chính xác cao hơn tổ tiên thạch anh của chúng.

Vào những năm 50 của thế kỷ trước, dựa trên sơ đồ do Norman Ramsey đề xuất, tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia (Vương quốc Anh), Louis Essen, nhân viên của nó đã làm việc trên một bộ dao động nguyên tử dựa trên đồng vị cesium 133 Cs do Rabi đề xuất trước đó. Caesium không được chọn một cách tình cờ.

Sơ đồ các mức chuyển tiếp siêu mịn của các nguyên tử của đồng vị cesium-133

Thuộc nhóm kim loại kiềm, các nguyên tử xesi cực kỳ dễ bị kích thích nhảy giữa các mức năng lượng. Vì vậy, ví dụ, một chùm ánh sáng có thể dễ dàng đánh bật một dòng electron khỏi cấu trúc nguyên tử của Caesium. Nhờ tính chất này mà Caesium được sử dụng rộng rãi trong các bộ tách sóng quang.

Thiết bị của bộ tạo dao động Caesium cổ điển dựa trên ống dẫn sóng Ramsey

Tiêu chuẩn tần số cesium chính thức đầu tiên NBS-1

Hậu duệ của NBS-1 - bộ tạo dao động NIST-7 đã sử dụng tia laze bơm một chùm nguyên tử Caesium

Phải mất hơn bốn năm để nguyên mẫu của Essen trở thành một tiêu chuẩn thực sự. Rốt cuộc, việc tinh chỉnh đồng hồ nguyên tử chỉ có thể thực hiện được bằng cách so sánh với các đơn vị thời gian lịch thiên văn hiện có. Trong bốn năm, bộ dao động nguyên tử đã được hiệu chỉnh bằng cách quan sát chuyển động quay của Mặt trăng quanh Trái đất bằng máy ảnh Mặt trăng chính xác nhất do William Markowitz thuộc Đài thiên văn Hải quân Hoa Kỳ phát minh.

"Điều chỉnh" đồng hồ nguyên tử theo lịch thiên văn mặt trăng được thực hiện từ năm 1955 đến năm 1958, sau đó thiết bị này được NBS chính thức công nhận là tiêu chuẩn tần số. Hơn nữa, độ chính xác chưa từng có của đồng hồ nguyên tử cesium đã thúc đẩy NBS thay đổi đơn vị thời gian trong tiêu chuẩn SI. Kể từ năm 1958, "khoảng thời gian 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái tiêu chuẩn của nguyên tử đồng vị cesium-133" đã chính thức được chấp nhận là giây.

Thiết bị của Louis Essen được đặt tên là NBS-1 và được coi là tiêu chuẩn tần số Caesium đầu tiên.

Trong ba mươi năm tiếp theo, sáu sửa đổi của NBS-1 đã được phát triển, trong đó mới nhất là NIST-7, được tạo ra vào năm 1993 bằng cách thay thế nam châm bằng bẫy laser, cung cấp độ chính xác 5 * 10 -15 với độ rộng cộng hưởng chỉ sáu mươi hai Hertz.

Bảng so sánh đặc tính của các chuẩn tần số Caesium được NBS sử dụng

Caesi tần số tiêu chuẩn	thời gian hoạt động	Thời gian hoạt động như một tiêu chuẩn NPFS chính thức	Chiều rộng cộng hưởng	Chiều dài hướng dẫn lò vi sóng	Giá trị lỗi
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300Hz	55 cm	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110Hz	164 cm	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48Hz	366 cm	5*10 -13
NBS-4	1965-1990	Không	130Hz	52,4cm	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45Hz	374 cm	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 Hz	374 cm	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62Hz	155 cm	5*10 -15

Các thiết bị NBS là băng ghế thử nghiệm cố định, giúp phân loại chúng theo tiêu chuẩn hơn là các bộ tạo dao động được sử dụng thực tế. Nhưng đối với các mục đích thực tế thuần túy, Hewlett-Packard đã làm việc vì lợi ích của tiêu chuẩn tần số cesium. Năm 1964, gã khổng lồ máy tính trong tương lai đã tạo ra một phiên bản nhỏ gọn của tiêu chuẩn tần số Caesium - thiết bị HP 5060A.

Được hiệu chỉnh bằng các tiêu chuẩn NBS, các tiêu chuẩn tần số HP 5060 phù hợp với giá đỡ thiết bị vô tuyến điển hình và là một thành công thương mại. Chính nhờ tiêu chuẩn tần số cesium do Hewlett-Packard đặt ra mà độ chính xác chưa từng có của đồng hồ nguyên tử đã đến với đại chúng.

Hewlett-Packard 5060A.

Kết quả là, những thứ như truyền hình vệ tinh và thông tin liên lạc đã trở nên khả thi, hệ thống toàn cầu dịch vụ điều hướng và đồng bộ hóa thời gian mạng thông tin. Các ứng dụng mang đến kiểu dáng công nghiệpđã có rất nhiều công nghệ bấm giờ nguyên tử. Đồng thời, Hewlett-Packard không dừng lại ở đó và không ngừng nâng cao chất lượng của các tiêu chuẩn Caesium cũng như các chỉ số về trọng lượng và kích thước của chúng.

Dòng đồng hồ nguyên tử Hewlett-Packard

Năm 2005, bộ phận đồng hồ nguyên tử của Hewlett-Packard được bán cho Simmetricom.

Cùng với Caesium, có trữ lượng rất hạn chế trong tự nhiên và nhu cầu về nó trong các lĩnh vực công nghệ khác nhau là rất cao, rubidi, chất rất gần với Caesium về tính chất, đã được sử dụng làm chất cho.

Có vẻ như sơ đồ đồng hồ nguyên tử hiện có đã được hoàn thiện. Trong khi đó, nó có một nhược điểm đáng tiếc, việc loại bỏ nhược điểm này đã có thể thực hiện được trong thế hệ thứ hai của các tiêu chuẩn tần số Caesium, được gọi là vòi phun Caesium.

Đài phun nước thời gian và mật đường quang học

Mặc dù độ chính xác cao nhất của máy đo thời gian nguyên tử NIST-7, sử dụng khả năng phát hiện trạng thái của các nguyên tử Caesium bằng laser, sơ đồ của nó về cơ bản không khác biệt so với sơ đồ của các phiên bản đầu tiên của tiêu chuẩn tần số Caesium.

Và lỗ hổng thiết kế của tất cả các sơ đồ này là về cơ bản là không thể kiểm soát tốc độ lan truyền của một chùm nguyên tử caesium chuyển động trong một ống dẫn sóng. Và điều này mặc dù thực tế là tốc độ di chuyển của các nguyên tử Caesium ở nhiệt độ phòng là một trăm mét mỗi giây. Khá nhanh.

Đó là lý do tại sao tất cả các sửa đổi của tiêu chuẩn Caesium là tìm kiếm sự cân bằng giữa kích thước của ống dẫn sóng, có thời gian tác động lên các nguyên tử Caesium nhanh tại hai điểm và độ chính xác của việc phát hiện kết quả của hiệu ứng này. Ống dẫn sóng càng nhỏ thì càng khó thực hiện liên tiếp xung điện từ tác dụng lên cùng một nguyên tử.

Nhưng nếu chúng ta tìm ra cách giảm tốc độ chuyển động của nguyên tử Caesium thì sao? Đó chính xác là suy nghĩ mà một sinh viên tại Viện Công nghệ Massachusetts, Jerrold Zacharius, người đã nghiên cứu ảnh hưởng của lực hấp dẫn đến hành vi của các nguyên tử vào cuối những năm bốn mươi của thế kỷ trước, đã tham gia. Sau đó, tham gia vào việc phát triển một biến thể của Atomichron tiêu chuẩn tần số Caesium, Zacharius đã đề xuất ý tưởng về một đài phun nước Caesium - một phương pháp để giảm tốc độ của các nguyên tử Caesium xuống một cm mỗi giây và loại bỏ ống dẫn sóng hai nhánh. của bộ dao động nguyên tử truyền thống.

Ý tưởng của Zacharius rất đơn giản. Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn chạy các nguyên tử Caesium bên trong bộ tạo dao động theo phương thẳng đứng? Sau đó, các nguyên tử giống nhau sẽ đi qua máy dò hai lần: lần đầu tiên khi đi lên và lần thứ hai đi xuống, nơi chúng sẽ lao tới dưới tác động của trọng lực. Đồng thời, chuyển động đi xuống của các nguyên tử sẽ chậm hơn nhiều so với chuyển động cất cánh của chúng, bởi vì trong quá trình di chuyển trong đài phun nước, chúng sẽ mất năng lượng. Thật không may, vào những năm 50 của thế kỷ trước, Zacharius đã không thể hiện thực hóa ý tưởng của mình. Trong các thiết lập thử nghiệm của ông, các nguyên tử di chuyển lên tương tác với những nguyên tử rơi xuống, điều này làm giảm độ chính xác của việc phát hiện.

Ý tưởng về Zacharius chỉ trở lại vào những năm tám mươi. Các nhà khoa học tại Đại học Stanford, do Steven Chu đứng đầu, đã tìm ra cách thực hiện Đài phun nước Zacharius bằng một kỹ thuật mà họ gọi là "mật đường quang học".

Trong đài phun Chu Caesium, một đám mây nguyên tử Caesium bắn lên trên được làm lạnh sơ bộ bởi một hệ thống gồm ba cặp tia laze ngược chiều nhau có tần số cộng hưởng ngay dưới cộng hưởng quang học của các nguyên tử Caesium.

Sơ đồ của một đài phun cesium với mật đường quang học.

Được làm mát bằng tia laser, các nguyên tử Caesium bắt đầu di chuyển chậm, như thể xuyên qua mật đường. Tốc độ của họ giảm xuống còn ba mét mỗi giây. Việc giảm tốc độ của các nguyên tử giúp các nhà nghiên cứu có cơ hội phát hiện trạng thái chính xác hơn (bạn phải đồng ý rằng, việc xem xét các con số của một chiếc ô tô đang di chuyển với tốc độ một km một giờ dễ dàng hơn nhiều so với một chiếc ô tô đang di chuyển với tốc độ một trăm ki lô mét mỗi giờ).

Một quả bóng gồm các nguyên tử cesium đã nguội được phóng lên cao khoảng một mét, đi qua một ống dẫn sóng dọc theo đường đi, qua đó một trường điện từ có tần số cộng hưởng tác động lên các nguyên tử. Và máy dò của hệ thống lần đầu tiên nắm bắt được sự thay đổi trạng thái của các nguyên tử. Khi đạt đến "trần", các nguyên tử được làm mát bắt đầu rơi xuống do trọng lực và đi qua ống dẫn sóng lần thứ hai. Trên đường về, máy dò lại ghi lại trạng thái của họ. Vì các nguyên tử di chuyển cực kỳ chậm nên việc bay của chúng dưới dạng một đám mây khá dày đặc rất dễ kiểm soát, điều đó có nghĩa là sẽ không có nguyên tử nào bay lên và bay xuống cùng một lúc trong đài phun nước.

Thiết lập đài phun caesium của Chu đã được NBS chấp nhận làm tiêu chuẩn tần số vào năm 1998 và được đặt tên là NIST-F1. Lỗi của nó là 4 * 10 -16, có nghĩa là NIST-F1 chính xác hơn NIST-7 tiền nhiệm.

Trên thực tế, NIST-F1 đã đạt đến giới hạn về độ chính xác trong việc đo trạng thái của các nguyên tử Caesium. Nhưng các nhà khoa học đã không dừng lại ở chiến thắng này. Họ quyết định loại bỏ lỗi được đưa vào hoạt động của đồng hồ nguyên tử do bức xạ của vật thể đen hoàn toàn - kết quả của sự tương tác của các nguyên tử Caesium với bức xạ nhiệt của vật thể lắp đặt mà chúng di chuyển. Trong đồng hồ bấm giờ nguyên tử NIST-F2 mới, một đài phun cesium được đặt trong buồng đông lạnh, giảm bức xạ vật đen xuống gần như bằng không. Biên độ lỗi NIST-F2 là một con số đáng kinh ngạc 3*10 -17 .

Biểu đồ giảm lỗi của các biến thể của tiêu chuẩn tần số xesi

Hiện tại, đồng hồ nguyên tử dựa trên đài phun cesium cung cấp cho nhân loại tiêu chuẩn thời gian chính xác nhất, liên quan đến nhịp đập của chúng ta. nền văn minh công nghệ. Nhờ các thủ thuật kỹ thuật, các maze hydro xung làm lạnh các nguyên tử cesium trong các phiên bản cố định của NIST-F1 và NIST-F2 đã được thay thế bằng một chùm tia laze thông thường kết hợp với một hệ thống quang từ. Điều này cho phép tạo ra các phiên bản nhỏ gọn và rất bền của các tiêu chuẩn NIST-Fx, có khả năng hoạt động trong tàu vũ trụ. Được đặt tên một cách khéo léo là "Đồng hồ nguyên tử lạnh hàng không vũ trụ", các tiêu chuẩn tần số này được đặt trong các vệ tinh của hệ thống định vị như GPS, cung cấp cho chúng khả năng đồng bộ hóa đáng kinh ngạc để giải quyết vấn đề tính toán rất chính xác tọa độ của máy thu GPS được sử dụng trong các thiết bị của chúng tôi.

Một phiên bản nhỏ gọn của đồng hồ nguyên tử đài phun cesium được gọi là "Đồng hồ nguyên tử lạnh hàng không vũ trụ" được sử dụng trong các vệ tinh GPS.

Việc tính toán thời gian tham chiếu được thực hiện bởi một "nhóm" gồm mười NIST-F2 đặt tại các trung tâm nghiên cứu khác nhau hợp tác với NBS. Giá trị chính xác giây nguyên tử được thu được một cách tập thể, và do đó các lỗi khác nhau và ảnh hưởng của yếu tố con người được loại bỏ.

Tuy nhiên, có thể một ngày nào đó, tiêu chuẩn tần số xesi sẽ được con cháu chúng ta coi là một cơ chế đo thời gian rất thô sơ, giống như hiện nay chúng ta đang nhìn một cách trịch thượng vào chuyển động của con lắc trong những chiếc đồng hồ cơ học của tổ tiên chúng ta.

Đồng hồ nguyên tử là công cụ đo thời gian chính xác nhất hiện nay và ngày càng trở nên phổ biến. giá trị lớn hơn với sự phát triển và phức tạp công nghệ hiện đại.

nguyên lý hoạt động

Đồng hồ nguyên tử giữ thời gian chính xác không phải do sự phân rã phóng xạ, như tên gọi của chúng, mà sử dụng các dao động của hạt nhân và các electron xung quanh chúng. Tần số của chúng được xác định bởi khối lượng của hạt nhân, lực hấp dẫn và "bộ cân bằng" tĩnh điện giữa hạt nhân tích điện dương và các electron. Nó không hoàn toàn phù hợp với đồng hồ thông thường. Đồng hồ nguyên tử là công cụ giữ thời gian đáng tin cậy hơn vì dao động của chúng không thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố như vậy. Môi trường như độ ẩm, nhiệt độ hoặc áp suất.

Sự phát triển của đồng hồ nguyên tử

Qua nhiều năm, các nhà khoa học đã nhận ra rằng các nguyên tử có tần số cộng hưởng liên quan đến khả năng hấp thụ và phát ra bức xạ điện từ của mỗi nguyên tử. Trong những năm 1930 và 1940, thiết bị liên lạc và radar tần số cao đã được phát triển có thể tương tác với tần số cộng hưởng của các nguyên tử và phân tử. Điều này đã góp phần tạo nên ý tưởng về chiếc đồng hồ.

Những bản sao đầu tiên được xây dựng vào năm 1949 bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST). Amoniac được sử dụng làm nguồn rung. Tuy nhiên, chúng không chính xác hơn nhiều so với tiêu chuẩn thời gian hiện có và Caesium đã được sử dụng trong thế hệ tiếp theo.

tiêu chuẩn mới

Sự thay đổi về độ chính xác của thời gian lớn đến mức vào năm 1967, Hội nghị Toàn thể về Cân đo đã định nghĩa giây SI là 9.192.631.770 dao động của nguyên tử xesi ở tần số cộng hưởng của nó. Điều này có nghĩa là thời gian không còn liên quan đến chuyển động của Trái đất. Đồng hồ nguyên tử ổn định nhất trên thế giới được tạo ra vào năm 1968 và được sử dụng như một phần của hệ thống tham chiếu thời gian NIST cho đến những năm 1990.

xe cải tiến

Một trong những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực này là làm mát bằng laser. Điều này đã cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm và giảm độ không chắc chắn trong tín hiệu đồng hồ. Hệ thống làm mát này và các thiết bị khác được sử dụng để cải thiện đồng hồ cesium sẽ yêu cầu không gian có kích thước bằng một toa xe lửa, mặc dù các tùy chọn thương mại có thể nằm gọn trong vali. Một trong những cơ sở thí nghiệm này giữ thời gian ở Boulder, Colorado và là đồng hồ chính xác nhất trên Trái đất. Chúng chỉ sai 2 nano giây mỗi ngày, hay 1 giây trong 1,4 triệu năm.

Công nghệ tinh vi

Độ chính xác to lớn này là kết quả của quá trình phức tạp Quy trình công nghệ. Đầu tiên, cesium lỏng được đặt trong lò nung và đun nóng cho đến khi nó biến thành khí. nguyên tử kim loại trên tốc độ caođi ra ngoài qua một lỗ nhỏ trong lò. Nam châm điện khiến chúng tách thành các chùm riêng biệt với năng lượng khác nhau. Chùm tia cần thiết đi qua lỗ hình chữ U và các nguyên tử được tiếp xúc với năng lượng bức xạ vi sóng tần số 9.192.631.770 Hz. Do đó, họ bị kích thích và chuyển sang trạng thái năng lượng khác. Từ trường sau đó lọc ra các trạng thái năng lượng khác của các nguyên tử.

Máy dò phản ứng với Caesium và hiển thị cực đại ở giá trị tần số chính xác. Điều này là cần thiết để thiết lập bộ tạo dao động tinh thể điều khiển cơ chế tạo xung nhịp. Chia tần số của nó cho 9.192.631.770 sẽ cho một xung mỗi giây.

Không chỉ xêzi

Mặc dù đồng hồ nguyên tử phổ biến nhất sử dụng các đặc tính của Caesium, nhưng cũng có những loại khác. Chúng khác nhau về yếu tố ứng dụng và phương tiện xác định sự thay đổi mức năng lượng. Các vật liệu khác là hydro và rubidi. Đồng hồ nguyên tử hydro hoạt động giống như đồng hồ cesium, nhưng yêu cầu bình chứa có thành làm bằng vật liệu đặc biệt ngăn các nguyên tử mất năng lượng quá nhanh. Đồng hồ Rubidium là đơn giản và nhỏ gọn nhất. Trong đó, một tế bào thủy tinh chứa đầy rubidi ở thể khí làm thay đổi sự hấp thụ ánh sáng khi tiếp xúc với tần số vi sóng.

Ai cần thời gian chính xác?

Ngày nay, thời gian có thể được đếm với độ chính xác cực cao, nhưng tại sao điều này lại quan trọng? Điều này là cần thiết trong các hệ thống như Điện thoại di động, internet, GPS, các chương trình hàng không và truyền hình kỹ thuật số. Thoạt nhìn, điều này không rõ ràng.

Một ví dụ về cách sử dụng thời gian chính xác là đồng bộ hóa gói. Hàng ngàn cuộc điện thoại đi qua đường dây trung gian. Điều này chỉ có thể xảy ra vì cuộc trò chuyện không được truyền hoàn toàn. Công ty viễn thông chia nó thành các gói nhỏ và thậm chí bỏ qua một số thông tin. Sau đó, chúng đi qua đường dây cùng với các gói hội thoại khác và được khôi phục ở đầu bên kia mà không bị trộn lẫn. Hệ thống đồng hồ tổng đài điện thoại có thể xác định gói tin nào thuộc về một cuộc hội thoại nhất định vào thời điểm chính xác mà thông tin được gửi đi.

GPS

Một triển khai khác của thời gian chính xác là hệ thống định vị toàn cầu. Nó bao gồm 24 vệ tinh truyền tọa độ và thời gian của chúng. Bất kỳ máy thu GPS nào cũng có thể kết nối với chúng và so sánh thời gian phát sóng. Sự khác biệt cho phép người dùng xác định vị trí của họ. Nếu những chiếc đồng hồ này không chính xác lắm thì hệ thống GPS sẽ không thực tế và không đáng tin cậy.

Giới hạn của sự hoàn hảo

Với sự phát triển của công nghệ và đồng hồ nguyên tử, sự thiếu chính xác của vũ trụ trở nên đáng chú ý. Trái đất chuyển động không đều dẫn đến sự biến động ngẫu nhiên về độ dài của năm và ngày. Trước đây, những thay đổi này sẽ không được chú ý vì các công cụ chấm công quá thiếu chính xác. Tuy nhiên, trước sự thất vọng của các nhà nghiên cứu và nhà khoa học, thời gian của đồng hồ nguyên tử phải được điều chỉnh để bù đắp cho sự bất thường. thế giới thực. Chúng là những công cụ tuyệt vời để thúc đẩy công nghệ hiện đại, nhưng sự hoàn hảo của chúng bị giới hạn bởi những giới hạn do chính tự nhiên đặt ra.