Τα ατομικά ρολόγια είναι οι ακριβέστεροι χρονομέτρες που διαθέτει σήμερα ο άνθρωπος, πώς λειτουργούν, σε τι χρησιμεύουν;
Όλα τα ρολόγια στηρίζονται στην ταλάντωση ενός φυσικού συστήματος. Είτε αυτή είναι η περιστροφή της Γης γύρω από τον εαυτό της, είτε η ταλάντωση ενός κρυστάλλου χαλαζία η ακόμα ενός εκκρεμούς.
Σε ένα άτομο τα ηλεκτρόνια διατάσσονται σε επιτρεπτές τροχιές γύρο από το θετικά φορτισμένο πυρήνα. Ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται σε μια τροχιά μπορεί απορροφώντας ένα φωτόνιο συγκεκριμένης συχνότητας, να μεταβεί σε μια υψηλότερη ενεργειακή τροχιά και από εκεί εκπέμποντας ένα φωτόνιο της ίδιας συχνότητας να επιστρέψει πάλι στην αρχική του θέση.
Αυτή η μετάβαση ηλεκτρονίου διαρκεί συγκεκριμένο χρόνο. Εάν εμείς διεγείρουμε διαρκώς το άτομο εξωτερικά με κατάλληλα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, αποτελεί το κατάλληλο περιοδικό φαινόμενο που απαιτείται για τη λειτουργία του ατομικού Ρολογιού.
Η χρήση ατόμων ως προτύπων συχνοτήτων και χρόνου μας δίνει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τη χρήση μακροσκοπικών ταλαντωτών.
Οι μεταβάσεις ηλεκτρονίων μεταξύ ατομικών σταθμών είναι ταυτόσημες στα φυσικά του χαρακτηριστικά από άτομο σε άτομο, ενώ τα άτομα δεν υφίστανται βλάβες. Όπως μία μηχανική κατασκευή, και δεν αλλάζουν οι ιδιότητές τους με την πάροδο του χρόνου.
Η προβλέψεις της Γενικής θεωρίας του Άλμπερτ Αϊνστάιν ήταν η Βαρυτική μετατόπιση προς το ερυθρό. Δηλαδή η μεταβολή της συχνότητας του φωτός εξαιτίας της παρουσίας βαρυτικού πεδίου. Η μεταβολή αυτή είναι εξαιρετικά μικρή σε μέγεθος ώστε να μετρηθεί με συμβατικά ρολόγια.
Για παράδειγμα ένα ρολόι κρυστάλλων χαλαζία έχει μια απώλεια του ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου ανά ημέρα. Σύμφωνα με τη θεωρία της Σχετικότητας ένα ρολόι στην κορυφή των Ιμαλαΐων τρέχει πιο γρήγορα κατά 30 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου σε σχέση με ένα όμοιο ρολόι στην επιφάνεια της θάλασσας.
Η πρώτη προσπάθεια για την κατασκευή ενός ατομικού ρολογιού έγινε το 1930 στο πανεπιστήμιο Columbia από τον I. Rabi. Ανακάλυψαν μια τεχνική γνωστή ως Μαγνητικός Πυρηνικός Συντονισμός.
Σήμερα χρησιμοποιούνται τα εξής ατομικά ρολόγια
- Τα ατομικά ρολόγια ρουβιδίου. Χρησιμοποιούν άτομα ρουβιδίου σε γυάλινες κυψέλες τα οποία διεγείρονται απορροφώντας και εκπέμποντας ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μικροκυμάτων.
- Τα ρολόγια μέιζερ υδρογόνου. Τα μέιζερ είναι προγενέστερα των λέιζερ, πρόκειται για διατάξεις εκπομπής μικροκυμάτων από διέγερση ατόμων και πυρήνων. Το μέιζερ υδρογόνου δημιουργήθηκε το 1960 από τον Ramsey.
- Τα ατομικά ρολόγια κεσίου. Είναι τα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια. Το 1967 στο Παρίσι ορίστηκε το 1 δευτερόλεπτο ως 9.192.631.770 ταλαντώσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που προκύπτει από τη μετάπτωση του ηλεκτρονίου ανάμεσα σε δυο συγκεκριμένες ενεργειακές στάθμες του ατόμου του κεσίου.
Το πιο ακριβές ρολόι είναι το NIST στο Boulder του Colorado το οποίο τέθηκε σε λειτουργία το 1999. Η ακρίβεια του είναι τέτοια ώστε σε 20 εκατομμύρια χρόνια λειτουργίας θα χάσει ή θα κερδίσει λιγότερο από 1 δευτερόλεπτο.
Πώς λειτουργεί το ατομικό ρολόι καισίου
- ΦΑΣΗ 1: Ένα αέριο ατόμων του καισίου εισέρχεται στο θάλαμο κενού του ρολογιού. Έξι λέιζερ επιβραδύνουν την κίνηση των ατόμων, ψύχοντάς τα κοντά στο απόλυτο μηδέν, και τα αναγκάζουν σε ένα σχήμα σφαιρικού νέφους στη διασταύρωση των ακτίνων λέιζερ.
- ΦΑΣΗ 2: Η σφαίρα των ατόμων ωθείται προς τα πάνω με δύο λέιζερ, μέσα από μια κοιλότητα γεμάτη με μικροκύματα. Όλα τα λέιζερ είναι στη συνέχεια απενεργοποιημένα.
- ΦΑΣΗ 3: Η βαρύτητα τραβάει τη σφαίρα των ατόμων καισίου πίσω από την κοιλότητα των μικροκυμάτων. Τα μικροκύματα μερικώς μεταβάλλουν τις ατομικές καταστάσεις των ατόμων του καισίου.
- ΦΑΣΗ 4: Τα άτομα του καισίου που μεταβλήθηκαν στην κοιλότητα μικροκυμάτων εκπέμπουν φως όταν τα ακτινοβολήσει μια δέσμη λέιζερ. Αυτός ο φθορισμός μετριέται με έναν ανιχνευτή. Η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται έως ότου προσδιοριστεί ο μέγιστος φθορισμός των ατόμων καισίου. Αυτό το σημείο ορίζει τη συχνότητα φυσικού συντονισμού του καισίου, που χρησιμοποιείται για τον ορισμό του δευτερολέπτου.