Precīza astronomijas laika glabāšana un pārsūtīšana. Astronomijas pamatjēdzieni. Kur kuģo kontinenti
Precīzs laiks
Lai mērītu īsus laika periodus astronomijā, pamata vienība ir saules dienas vidējais ilgums, t.i. vidējais laika intervāls starp diviem Saules centra augšējiem (vai apakšējiem) kulminācijas punktiem. Jāizmanto vidējā vērtība, jo saulainās dienas garums gada laikā nedaudz svārstās. Tas ir saistīts ar faktu, ka Zeme riņķo ap Sauli nevis lokā, bet gan elipsē, un tās kustības ātrums nedaudz mainās. Tas visu gadu rada nelielus pārkāpumus Saules šķietamajā kustībā gar ekliptiku.
Saules centra augšējās kulminācijas brīdi, kā jau teicām, sauc par patieso pusdienlaiku. Bet, lai pārbaudītu pulksteni, lai noteiktu precīzu laiku, nav nepieciešams uz tā atzīmēt Saules kulminācijas brīdi. Ērtāk un precīzāk ir atzīmēt zvaigžņu kulminācijas momentus, jo atšķirība starp jebkuras zvaigznes un Saules kulminācijas momentiem ir precīzi zināma jebkurā laikā. Tāpēc, lai noteiktu īpašu laiku ar īpašu optisko ierīču palīdzību, tiek atzīmēti zvaigžņu kulminācijas momenti un viņi pārbauda pulksteņa pareizību, "saglabājot" laiku. Šādi noteikts laiks būtu absolūti precīzs, ja novērotā debess rotācija notiktu stingri nemainīgā leņķa ātrumā. Tomēr izrādījās, ka Zemes rotācijas ātrums ap savu asi un līdz ar to acīmredzamā debesu sfēras rotācija laika gaitā piedzīvo ļoti nelielas izmaiņas. Tāpēc precīzā laika "uzglabāšanai" tagad tiek izmantots īpašs atomu pulkstenis, kura norisi kontrolē svārstību procesi atomos, kas notiek nemainīgā frekvencē. Atsevišķu observatoriju pulksteņi tiek pārbaudīti pēc atomu laika signāliem. Atompulksteņa noteiktā laika un šķietamās zvaigžņu kustības salīdzinājums ļauj izpētīt Zemes rotācijas nelīdzenumus.
Precīza laika noteikšana, uzglabāšana un pa radio to nosūtīšana visiem iedzīvotājiem ir precīzā laika dienesta uzdevums, kas pastāv daudzās valstīs.
Precīzus laika signālus radio uztver jūras un gaisa flotes navigatori, daudzas zinātniskas un rūpnieciskas organizācijas, kurām jāzina precīzs laiks. Precīzs laiks ir jāzina, jo īpaši, lai noteiktu dažādu zemes virsmas punktu ģeogrāfiskos garumus.
Laika skaitīšana. Ģeogrāfiskā garuma noteikšana. Kalendārs
No PSRS fiziskās ģeogrāfijas kursa jūs zināt vietējā, zonas un maternitātes laika skaitīšanas jēdzienus, kā arī to, ka divu punktu ģeogrāfisko garumu atšķirību nosaka šo punktu vietējā laika atšķirība. Šī problēma tiek atrisināta ar astronomiskām metodēm, izmantojot zvaigžņu novērojumus. Pamatojoties uz precīzu atsevišķu punktu koordinātu noteikšanu, tiek kartēta zemes virsma.
Kopš seniem laikiem cilvēki ir izmantojuši vai nu Mēness mēneša, vai Saules gada ilgumu, lai skaitītu ilgus laika periodus, t.i. Saules revolūcijas ilgums gar ekliptiku. Gads nosaka sezonālo izmaiņu biežumu. Saules gads ilgst 365 saules dienas 5 stundas 48 minūtes 46 sekundes. Tas praktiski nav samērojams ar dienām un ar Mēness mēneša ilgumu - Mēness fāzes maiņas periodu (apmēram 29,5 dienas). Tas apgrūtina vienkārša un ērta kalendāra izveidi. Gadsimtu senajā cilvēces vēsturē ir izveidotas un izmantotas daudzas dažādas kalendāra sistēmas. Bet tos visus var iedalīt trīs veidos: saules, mēness un lunisola. Dienvidu ganītāji parasti izmantoja Mēness mēnešus. 12 Mēness mēnešu gadā bija 355 Saules dienas. Lai saskaņotu laika skaitīšanu pēc Mēness un Saules, gadā bija jānosaka 12 vai 13 mēneši un gadā jāievieto papildu dienas. Vienkāršāks un ērtāks bija Saules kalendārs, kas tika izmantots Senajā Ēģiptē. Pašlaik lielākajā daļā pasaules valstu tiek pieņemts arī Saules kalendārs, taču tā ir pilnīgāka ierīce, ko sauc par gregoriāņu un par kuru tiek runāts tālāk.
Sastādot kalendāru, jāņem vērā, ka kalendārā gada ilgumam jābūt pēc iespējas tuvāk Saules apgriezienu ilgumam gar ekliptiku un ka kalendārajā gadā jāiekļauj vesels saules dienu skaits, jo gadu uzsākt dažādos dienas laikos ir neērti.
Šos nosacījumus izpildīja Aleksandrijas astronoma Sozigenes izstrādātais un 46. gadā pirms mūsu ēras ieviestais kalendārs. Romā - Jūlijs Cēzars. Pēc tam, kā jūs zināt, no fiziskās ģeogrāfijas kursa viņš saņēma Džuliana vai vecā stila vārdu. Šajā kalendārā gadi tiek skaitīti trīs reizes pēc kārtas 365 dienas un tiek saukti par vienkāršiem, nākamais gads pēc tiem ir 366 dienas. To sauc par lēciena gadu. Lēciena gadi Jūlija kalendārā ir tie gadi, kuru skaitļi ir vienmērīgi dalāmi ar 4.
Vidējais gada garums pēc šī kalendāra ir 365 dienas 6 stundas, t.i. tas ir apmēram 11 minūtes garāks nekā patiesais. Tāpēc vecais stils atpalika no faktiskās laika gaitas par aptuveni 3 dienām ik pēc 400 gadiem.
Gregora kalendārā (jauns stils), kas ieviests PSRS 1918. gadā un pat agrāk pieņemts lielākajā daļā valstu, gadi beidzas ar divām nullēm, izņemot 1600., 2000., 2400. utt. (tas ir, tie, kuros simtu skaits dalās ar 4 bez atlikuma) netiek uzskatīti par lēcienu. Tā tiek izlabota 3 dienu kļūda, kas uzkrāta 400 gadu laikā. Tādējādi gada vidējais garums jaunajā stilā izrādās ļoti tuvu Zemes revolūcijas periodam ap Sauli.
Līdz XX gs. atšķirība starp jauno stilu un veco (Džuliana) stilu sasniedza 13 dienas. Tā kā jaunais stils mūsu valstī tika ieviests tikai 1918. gadā, Oktobra revolūcija, ko 1917. gadā izdarīja 25. oktobrī (pēc vecā stila), tiek svinēta 7. novembrī (saskaņā ar jauno stilu).
Atšķirība starp veco un jauno 13 dienu stilu saglabāsies XXI gadsimtā un XXII gadsimtā. palielināsies līdz 14 dienām.
Jaunais stils, protams, nav pilnīgi precīzs, taču 1 dienas kļūda uz tā uzkrāsies tikai pēc 3300 gadiem.
Precīza laika noteikšana, uzglabāšana un pa radio to nosūtīšana visiem iedzīvotājiem ir precīzā laika dienesta uzdevums, kas pastāv daudzās valstīs.
Precīzus laika signālus radio uztver jūras un gaisa flotes navigatori, daudzas zinātniskas un rūpnieciskas organizācijas, kurām jāzina precīzs laiks. Zināt precīzu laiku, jo īpaši, un noteikt ģeogrāfisko
to garums dažādos zemes virsmas punktos.
Laika skaitīšana. Ģeogrāfiskā garuma noteikšana. Kalendārs
No PSRS fiziskās ģeogrāfijas kursa jūs zināt vietējā, zonas un maternitātes laika skaitīšanas jēdzienus, kā arī to, ka divu punktu ģeogrāfisko garumu atšķirību nosaka šo punktu vietējā laika atšķirība. Šī problēma tiek atrisināta ar astronomiskām metodēm, izmantojot zvaigžņu novērojumus. Pamatojoties uz precīzu atsevišķu punktu koordinātu noteikšanu, tiek kartēta zemes virsma.
Kopš seniem laikiem cilvēki ir izmantojuši vai nu Mēness mēneša, vai Saules gada ilgumu, lai uzskaitītu ilgus laika periodus, t.i. Saules revolūcijas ilgums gar ekliptiku. Gads nosaka sezonālo izmaiņu biežumu. Saules gads ilgst 365 saules dienas 5 stundas 48 minūtes 46 sekundes. Tas praktiski nav samērojams ar dienām un ar Mēness mēneša ilgumu - Mēness fāzes maiņas periodu (apmēram 29,5 dienas). Šīs ir grūtības izveidot vienkāršu un ērtu kalendāru. Gadsimtu senajā cilvēces vēsturē ir izveidotas un izmantotas daudzas dažādas kalendāra sistēmas. Bet tos visus var iedalīt trīs veidos: saules, mēness un lunisola. Dienvidu ganītāji parasti izmantoja Mēness mēnešus. 12 Mēness mēnešu gadā bija 355 Saules dienas. Lai koordinētu laika aprēķinu atbilstoši Mēnesim un Saulei, gadā bija jānosaka 12 vai 13 mēneši un gadā jāievieto papildu dienas. Vienkāršāks un ērtāks bija Saules kalendārs, kas tika izmantots Senajā Ēģiptē. Pašlaik lielākajā daļā pasaules valstu tiek pieņemts arī Saules kalendārs, taču tas ir pilnīgāka ierīce, saukta par gregoriāņu, par kuru runājam tālāk.
Sastādot kalendāru, jāņem vērā, ka kalendārā gada ilgumam jābūt pēc iespējas tuvāk Saules apgriezienu ilgumam gar ekliptiku un ka kalendārajā gadā jāiekļauj vesels saules dienu skaits, jo gadu uzsākt dažādos dienas laikos ir neērti.
Šos nosacījumus izpildīja Aleksandrijas astronoma Sozigenes izstrādātais un 46. gadā pirms mūsu ēras ieviestais kalendārs. Romā - Jūlijs Cēzars. Pēc tam, kā jūs zināt, no fiziskās ģeogrāfijas kursa viņš saņēma Džuliana vai vecā stila vārdu. Šajā kalendārā gadi tiek skaitīti trīs reizes pēc kārtas 365 dienas un tiek saukti par vienkāršiem, nākamais gads pēc tiem ir 366 dienas. To sauc par lēciena gadu. Lēciena gadi Jūlija kalendārā ir tie gadi, kuru skaitļi ir vienmērīgi dalāmi ar 4.
Vidējais gada garums pēc šī kalendāra ir 365 dienas 6 stundas, t.i. tas ir apmēram 11 minūtes garāks nekā patiesais. Tāpēc vecais stils atpalika no faktiskās laika gaitas par aptuveni 3 dienām ik pēc 400 gadiem.
Gregora kalendārā (jauns stils), kas ieviests PSRS 1918. gadā un pat agrāk pieņemts lielākajā daļā valstu, gadi beidzas ar divām nullēm, izņemot 1600., 2000., 2400. utt. (tas ir, tie, kuros simtu skaits dalās ar 4 bez atlikuma) netiek uzskatīti par lēcienu. Tā tiek izlabota 3 dienu kļūda, kas uzkrāta 400 gadu laikā. Tādējādi gada vidējais garums jaunajā stilā izrādās ļoti tuvu Zemes revolūcijas periodam ap Sauli.
Līdz XX gs. atšķirība starp jauno stilu un veco (Džuliana) stilu sasniedza 13 dienas. Tā kā jaunais stils mūsu valstī tika ieviests tikai 1918. gadā, Oktobra revolūcija, ko 1917. gadā izdarīja 25. oktobrī (pēc vecā stila), tiek svinēta 7. novembrī (saskaņā ar jauno stilu).
Atšķirība starp veco un jauno 13 dienu stilu saglabāsies XXI gadsimtā un XXII gadsimtā. palielināsies līdz 14 dienām.
Jaunais stils, protams, nav pilnīgi precīzs, taču 1 dienas kļūda uz tā uzkrāsies tikai pēc 3300 gadiem.
Tikai laika dienesta pirmais uzdevums tiek atrisināts, iegūstot punktus laikā. Nākamais uzdevums ir uzglabāt precīzu laiku intervālos starp tā astronomiskajām definīcijām. Šis uzdevums tiek atrisināts ar astronomiskā pulksteņa palīdzību.
Lai iegūtu augstu laika precizitāti astronomisko pulksteņu ražošanā, iespēju robežās tiek ņemti vērā un novērsti visi kļūdu avoti un radīti vislabvēlīgākie apstākļi to darbībai.
Pulkstenī vissvarīgākā daļa ir svārsts. Atsperes un riteņi kalpo kā transmisijas mehānisms, bultiņas - norāda, un svārsts mēra laiku. Tāpēc astronomiskajā pulkstenī viņi mēģina radīt iespējamo Labāki apstākļi tā darbībai: padarīt istabas temperatūru nemainīgu, novērst triecienus, vājināt gaisa pretestību un visbeidzot padarīt pēc iespējas zemāku mehānisko slodzi.
Lai nodrošinātu augstu precizitāti, astronomiskais pulkstenis tiek ievietots dziļā pagrabā, pasargāts no triecieniem.Telpu visu gadu uztur nemainīgā temperatūrā. Lai samazinātu gaisa pretestību un novērstu atmosfēras spiediena izmaiņu ietekmi, pulksteņa svārsts tiek ievietots apvalkā, kurā gaisa spiediens ir nedaudz samazināts (20. attēls).
Astronomiskiem pulksteņiem ar diviem svārstiem (Short's pulksteņiem) ir ļoti augsta precizitāte, no kuriem viens - ne brīvs, vai "vergs", ir savienots ar pārraides un indikācijas mehānismiem, un pats to kontrolē cits - brīvs svārsts, kas nav savienots ar nevienu riteni un atsperes (21. attēls).
Brīvo svārstu ievieto dziļā pagrabā metāla korpusā. Šajā gadījumā ir pazemināts spiediens. Brīvs svārsts ir savienots ar brīvu caur diviem maziem elektromagnētiem, kuru tuvumā tas šūpojas. Brīvais svārsts kontrolē "vergu" svārstu, liekot tam savlaicīgi pašūpoties.
Var panākt ļoti mazas pulksteņa kļūdas, taču tās nevar pilnībā novērst. Tomēr, ja pulkstenis darbojas nepareizi, bet jau iepriekš ir zināms, ka tas steidzas vai atpaliek par noteiktu sekunžu skaitu dienā, tad no šāda nepareiza pulksteņa nav grūti aprēķināt precīzu laiku. Lai to izdarītu, ir pietiekami zināt, kāds pulkstenis darbojas, tas ir, cik sekundes dienā viņi steidzas vai atpaliek. Korekcijas tabulas tiek apkopotas konkrētam astronomiskā pulksteņa gadījumam mēnešos un gados. Astronomiskā pulksteņa rokas gandrīz nekad precīzi nerāda laiku, taču ar korekcijas tabulu palīdzību ir pilnīgi iespējams iegūt laika zīmogus ar sekundes tūkstošdaļu precizitāti.
Diemžēl pulksteņa ātrums nepaliek nemainīgs. Mainoties ārējiem apstākļiem - istabas temperatūrai un gaisa spiedienam - vienmēr pastāvošās detaļu izgatavošanas neprecizitātes un atsevišķu detaļu darbības dēļ, tas pats pulkstenis laika gaitā var mainīt savu gaitu. Izmaiņas vai izmaiņas pulksteņa laikā ir galvenais tā darba kvalitātes rādītājs. Jo mazāka pulksteņa ātruma variācija, jo labāk pulkstenis.
Tādējādi labs astronomiskais pulkstenis var būt pārāk sasteigts un pārāk lēns, tas var darboties uz priekšu vai atpalikt pat par sekundes desmitdaļām dienā, un tomēr to var izmantot, lai droši saglabātu laiku un iegūtu pietiekami precīzus rādījumus, ja tikai tā uzvedība ir nemainīgs. t.i., kursa ikdienas variācijas ir mazas.
Šorta svārsta astronomiskajā pulkstenī insulta dienas variācija ir 0,001-0,003 sek. Ilgu laiku tik augsta precizitāte palika nepārspēta.Mūsu gadsimta piecdesmitajos gados inženieris F. M. Fedčenko uzlaboja svārsta balstiekārtu un uzlaboja tā siltuma kompensāciju. Tas ļāva viņam noformēt pulksteni, kurā insulta ikdienas variācijas tika samazinātas līdz 0,0002-0 0003 sekundēm.
Pēdējos gados astronomisko pulksteņu konstrukciju vairs neaizņēma mehāniķi, bet gan elektriķi un radioinženieri. Viņi izgatavoja pulksteni, kurā svārsta svārstību vietā laika skaitīšanai tika izmantotas kvarca kristāla elastīgās vibrācijas.
Pareizi sagrieztam kvarca kristālam ir interesantas īpašības. Ja šāda plāksne, ko sauc par pjezokvartu, ir saspiesta vai saliekta, tad uz tās pretējām virsmām parādās elektriskie lādiņi atšķirīga zīme... Ja uz pjezo kvarca plāksnes pretējām virsmām tiek ievadīta mainīga elektriskā strāva, tad pjezo kvarcs vibrē. Jo mazāka svārstību ierīces amortizācija, jo pastāvīgāka svārstību frekvence. Pjezokvarcam šajā ziņā ir ārkārtīgi labas īpašības, jo tā svārstību slāpēšana ir ļoti maza. To plaši izmanto radiotehnikā, lai uzturētu nemainīgu radio raidītāju frekvenci. Tas pats pjezoelektriskā kvarca īpašums - augsta vibrācijas frekvences pastāvība - ļāva uzbūvēt ļoti precīzu astronomisko kvarca pulksteni.
Kvarca pulkstenis (22. att.) Sastāv no radiotehniskā ģeneratora, ko stabilizē pjezoelektriskais kvarcs, frekvenču dalīšanas kaskādes, sinhronais elektromotors un skala ar bultiņām uz rādītāja.
Radiotehniskais ģenerators rada augstas frekvences maiņstrāvu, un pjezoelektriskais kvarcs ar lielu precizitāti uztur nemainīgu svārstību frekvenci. Frekvenču dalījuma kaskādēs maiņstrāvas frekvence tiek samazināta no vairākiem simtiem tūkstošu līdz vairākiem simtiem svārstību sekundē. Sinhronais elektromotors, kas darbojas ar zemas frekvences maiņstrāvu, pagriež rādītāja bultiņas, aizver laika signāla relejus utt.
Sinhronā elektromotora griešanās ātrums ir atkarīgs no maiņstrāvas frekvences, ar kuru tas tiek piegādāts. Tādējādi kvarca pulksteņos roku rādītāju rotācijas ātrumu galu galā nosaka pjezoelektriskā kvarca vibrācijas frekvence. Augsta kvarca plāksnes vibrācijas frekvences pastāvība nodrošina kvarca astronomiskā pulksteņa vienmērīgumu un augstu precizitāti.
Pašlaik tiek ražoti dažāda veida un mērķa kvarca pulksteņi, kuru ātruma dienas izmaiņas nepārsniedz simtdaļas vai pat tūkstošdaļas sekundes.
Pirmie kvarca pulksteņu modeļi bija diezgan apjomīgi. Galu galā dabiskā kvarca plāksnes vibrāciju frekvence ir salīdzinoši augsta, un, lai skaitītu sekundes un minūtes, tas ir jāsamazina, izmantojot virkni frekvenču dalīšanas kaskādes. Tikmēr šim nolūkam izmantotās lampu radio ierīces aizņem daudz vietas. Pēdējo gadu desmitu laikā pusvadītāju radiotehnika ir strauji attīstījusies, un uz tās pamata ir izstrādātas miniatūras un mikrominiatūras radioiekārtas. Tas ļāva uzbūvēt maza izmēra pārnēsājamu kvarca pulksteni jūras un gaisa navigācijai, kā arī dažādiem ekspedīcijas darbiem. Šie pārnēsājamie kvarca hronometri nepārsniedz parasto mehānisko hronometru izmēru un svaru.
Tomēr, ja otrās klases mehāniskā jūras hronometra dienas kļūda nepārsniedz ± 0,4 sek, un pirmās klases - ne vairāk kā ± 0,2 sekundes, tad mūsdienu pārnēsājamo kvarca hronometru dienas variācija ir ± 0,1; ± 0,01 un pat ± 0,001 sek.
Piemēram, Šveicē ražotā Chronotom izmēri ir 245X137X100 mm, un tā gājiena nestabilitāte dienā nepārsniedz ± 0,02 sek. Stacionārā kvarca hronometra "Izotom" ilgtermiņa relatīvā nestabilitāte ir ne vairāk kā 10 -8, tas ir, dienas variācijas kļūda ir aptuveni ± 0,001 sek.
Tomēr kvarca pulksteņi nav bez nopietniem trūkumiem, kuru klātbūtne ir būtiska augstas precizitātes astronomiskiem mērījumiem. Kvarca astronomisko pulksteņu galvenie trūkumi ir kvarca vibrāciju biežuma atkarība no temperatūras. vide un "kvarca novecošana", tas ir, tā vibrācijas frekvences izmaiņas laika gaitā. Pirmais trūkums tika novērsts ar pulksteņa daļas, kurā atrodas kvarca plāksne, rūpīgu termostatu. Kvarca novecošana, kas noved pie lēna pulksteņa novirzīšanās, vēl nav novērsta.
"Molekulārais pulkstenis"
Vai ir iespējams izveidot ierīci laika intervālu mērīšanai ar lielāku precizitāti nekā svārsta un kvarca astronomiskie pulksteņi?
Meklējot tam piemērotas metodes, zinātnieki pievērsās sistēmām, kurās notiek molekulārās vibrācijas. Šāda izvēle, protams, nebija nejauša, un tieši viņš iepriekš noteica turpmākos panākumus. "Molekulārie pulksteņi" vispirms ļāva palielināt laika mērīšanas precizitāti par tūkstošiem reižu, bet aizdevumu par simtiem tūkstošu. Tomēr ceļš no molekulas uz laika rādītāju izrādījās grūts un ļoti grūts.
Kāpēc nebija iespējams uzlabot svārsta un kvarca astronomisko pulksteņu precizitāti? Kā laika mērīšanas ziņā molekulas ir labākas par svārstiem un kvarca plāksnēm? Kāds ir molekulārā pulksteņa darbības princips un struktūra?
Atgādināsim, ka jebkurš pulkstenis sastāv no bloka, kurā tiek veiktas periodiskas svārstības, skaitīšanas mehānisma to skaita skaitīšanai un ierīces, kurā tiek uzglabāta to uzturēšanai nepieciešamā enerģija. Tomēr pulksteņa precizitāte pārsvarā ir ir atkarīgs no šī elementa darba stabilitātes kas mēra laiku.
Lai palielinātu svārsta astronomiskā pulksteņa precizitāti, to svārsts ir izgatavots no īpaša sakausējuma ar minimālu siltuma izplešanās koeficientu, tiek ievietots termostatā, īpašā veidā piekārts, kas atrodas traukā, no kura tiek izsūknēts gaiss utt. Kā jūs zināt, visi šie pasākumi ļāva samazināt astronomisko svārsta trieciena pulksteņu svārstības līdz pat sekundes tūkstošdaļām dienā. Tomēr pakāpenisks kustīgo un berzējošo daļu nodilums, lēnas un neatgriezeniskas strukturālo materiālu izmaiņas, kopumā šādu pulksteņu "novecošana" neļāva panākt turpmāku to precizitātes uzlabošanos.
Astronomiskajos kvarca pulksteņos laiku mēra ar kvarca stabilizētu ģeneratoru, un šo pulksteņu precizitāti nosaka kvarca plāksnes svārstību biežuma pastāvība. Laika gaitā kvarca plāksnē un ar to saistītajos elektriskajos kontaktos notiek neatgriezeniskas izmaiņas. Tādējādi šis kvarca pulksteņu draiveris "noveco". Šajā gadījumā kvarca plāksnes vibrācijas frekvence nedaudz mainās. Tas ir šādu pulksteņu nestabilitātes cēlonis un ierobežo to precizitātes turpmāku pieaugumu.
Molekulārie pulksteņi ir veidoti tā, ka to rādījumus galu galā nosaka molekulu absorbēto un izstaroto elektromagnētisko viļņu biežums. Tikmēr atomi un molekulas absorbē un izstaro enerģiju tikai periodiski, tikai noteiktās daļās, ko sauc par enerģijas kvantiem. Šie procesi šobrīd tiek attēloti šādi: kad atoms atrodas normālā (neuzbudinātā) stāvoklī, tad tā elektroni aizņem zemākos enerģijas līmeņus un vienlaikus atrodas vistuvākajā attālumā no kodola. Ja atomi absorbē enerģiju, piemēram, gaismas enerģiju, tad to elektroni pāriet uz jaunām pozīcijām un atrodas nedaudz tālāk no kodoliem.
Apzīmēsim atoma enerģiju, kas atbilst elektrona zemākajai pozīcijai caur E, un enerģiju, kas atbilst tā tālākai atrašanās vietai no kodola - caur E 2. Kad atomi, izstarojot elektromagnētiskās svārstības (piemēram, gaismu), no ierosinātā stāvokļa ar enerģiju E 2 pāriet neizraisītā stāvoklī ar enerģiju E 1, tad izstarotā elektromagnētiskās enerģijas daļa ir vienāda ar ε = E 2 -E 1. Ir viegli redzēt, ka iepriekšminētā attiecība ir nekas cits kā viens no enerģijas saglabāšanas likuma izteikumiem.
Tikmēr ir zināms, ka gaismas kvantu enerģija ir proporcionāla tā frekvencei: ε = hv, kur ε ir elektromagnētisko svārstību enerģija, v ir to frekvence, h = 6,62 * 10 -27 erg * sek ir Plankas konstante . No šīm divām attiecībām nav grūti atrast atoma izstarotās gaismas frekvenci v. Acīmredzot, v = (E 2 - E 1) / h sek -1
Katram noteikta veida atomam (piemēram, ūdeņradim, skābeklim utt.) Ir savs enerģijas līmenis. Tāpēc katrs ierosinātais atoms, pārejot uz zemākiem stāvokļiem, izstaro elektromagnētiskās svārstības ar diezgan noteiktu frekvenču kopumu, t.i., tas dod luminiscenci, kas raksturīga tikai tai. Situācija ir tieši tāda pati ar molekulām, ar vienīgo atšķirību, ka tām ir vairāki papildu enerģijas līmeņi, kas saistīti ar to sastāvdaļu atšķirīgo izvietojumu un savstarpējo kustību,
Tādējādi atomi un molekulas spēj absorbēt un izstarot tikai ierobežotas frekvences elektromagnētiskās vibrācijas. Stabilitāte, ar kādu to veic atomu sistēmas, ir ārkārtīgi augsta. Tas ir miljardiem reižu lielāks nekā visu makroskopisko ierīču stabilitāte, kas uztver vai izstaro noteikta veida vibrācijas, piemēram, stīgas, kameru dakšas, mikrofonus utt. Tas izskaidrojams ar faktu, ka jebkurās makroskopiskās ierīcēs, piemēram, mašīnās, mērinstrumenti utt., spēki, kas nodrošina to stabilitāti, vairumā gadījumu ir tikai desmitiem vai simtiem reižu lielāki nekā ārējie spēki. Tāpēc ar laiku un mainoties ārējiem apstākļiem, šādu ierīču īpašības nedaudz mainās. Tāpēc mūziķiem tik bieži jāskaņo vijoles un klavieres. Tieši pretēji, piemēram, mikrosistēmās, atomos un molekulās, starp daļiņām, kas tos veido, darbojas tik lieli spēki, ka parastās ārējās ietekmes ir daudz mazākas. Tāpēc parastās izmaiņas ārējos apstākļos - temperatūrā, spiedienā utt. - nerada ievērojamas izmaiņas šajās mikrosistēmās.
Tas izskaidro tik augstu spektrālās analīzes precizitāti un daudzas citas metodes un ierīces, kuru pamatā ir atomu un molekulāro vibrāciju izmantošana. Tāpēc ir tik pievilcīgi izmantot šīs kvantu sistēmas kā galveno elementu astronomiskajos pulksteņos. Galu galā šādas mikrosistēmas laika gaitā nemaina savas īpašības, tas ir, tās "nenoveco".
Kad inženieri sāka projektēt molekulāros pulksteņus, aizraujošu atomu un molekulāro vibrāciju metodes jau bija labi zināmas. Viens no tiem ir tas, ka augstas frekvences elektromagnētiskās svārstības tiek piegādātas traukam, kas piepildīts ar vienu vai otru gāzi. Ja šo vibrāciju biežums atbilst šo daļiņu ierosmes enerģijai, tad notiek elektromagnētiskās enerģijas rezonanses absorbcija. Pēc kāda laika (mazāk nekā sekundes miljonā daļa) ierosinātās daļiņas (atomi un molekulas) spontāni pāriet no ierosinātā stāvokļa normālā stāvoklī, un tajā pašā laikā viņi paši izstaro kvantus elektromagnētiskās enerģijas.
Šķiet, ka nākamajam solim šāda pulksteņa projektēšanā vajadzētu būt šo svārstību skaita skaitīšanai, jo svārsta pulksteņos tiek skaitīts svārsta svārstību skaits. Tomēr šāds taisns, "frontāls" ceļš bija pārāk grūts. Fakts ir tāds, ka molekulu izstaroto elektromagnētisko svārstību biežums ir ļoti augsts. Piemēram, amonjaka molekulā vienai no galvenajām pārejām tas ir 23 870 129 000 periodi sekundē. Dažādu atomu izstaroto elektromagnētisko vibrāciju biežums ir vienāds vai pat lielāks. Neviena mehāniska ierīce nav piemērota šādu augstfrekvences vibrāciju skaitīšanai. Turklāt parastās elektroniskās ierīces arī izrādījās tam nederīgas.
Izeja no šīm grūtībām tika atrasta, izmantojot oriģinālu risinājumu. Amonjaka gāzi ievietoja garā metāla caurulē (viļņvadā). Lai to ērti lietotu, šī caurule ir satīta. Augstas frekvences elektromagnētiskās svārstības no ģeneratora tika virzītas uz šīs caurules vienu galu, un otrā galā tika uzstādīta ierīce to intensitātes mērīšanai. Ģenerators ļāva noteiktās robežās mainīt tā ierosināto elektromagnētisko svārstību biežumu.
Amonjaka molekulu pārejai no nemudinātas uz ierosinātu stāvokli ir nepieciešama precīzi definēta enerģija un attiecīgi precīzi noteikta elektromagnētisko svārstību frekvence (ε = hv, kur ε ir kvantu enerģija, v ir elektromagnētiskās svārstības, h ir Plankas konstante). Kamēr ģeneratora radīto elektromagnētisko svārstību biežums ir lielāks vai mazāks par šo rezonanses frekvenci, amonjaka molekulas neuzsūc enerģiju. Kad šīs frekvences sakrīt, ievērojams skaits amonjaka molekulu absorbē elektromagnētisko enerģiju un nonāk ierosinātā stāvoklī. Protams, šajā gadījumā (saskaņā ar enerģijas saglabāšanas likumu) viļņvada galā, kur ir uzstādīta mērīšanas ierīce, elektromagnētisko svārstību intensitāte izrādās mazāka. Ja jūs vienmērīgi maināt ģeneratora frekvenci un reģistrējat mērīšanas ierīces rādījumus, tad rezonanses frekvencē tiek konstatēta elektromagnētisko svārstību intensitātes kritums.
Nākamais solis molekulārā pulksteņa izstrādē ir tieši šī efekta izmantošana. Tam tika samontēta īpaša ierīce (23. att.). Tajā augstfrekvences ģenerators, kas aprīkots ar barošanas bloku, ģenerē augstfrekvences elektromagnētiskās svārstības. Lai palielinātu šo svārstību biežuma pastāvību, ģenerators tiek stabilizēts ar. izmantojot pjezoelektrisko kvarcu. Esošajās šāda veida ierīcēs augstfrekvences ģeneratora svārstību biežums tiek izvēlēts vienāds ar vairākiem simtiem tūkstošu periodu sekundē saskaņā ar tajos izmantoto kvarca plākšņu svārstību dabisko biežumu.
Att. 23. "Molekulārā pulksteņa" shēma
Tā kā šī frekvence ir pārāk augsta, lai tieši vadītu jebkuru mehānisku ierīci, tad ar frekvences dalīšanas ierīces palīdzību tā tiek samazināta līdz vairākiem simtiem svārstību sekundē un tikai pēc tam tiek padota signāla relejiem un rotējošam sinhronam elektromotoram. rādītāja bultiņas, kas atrodas pulksteņa ciparnīcā. Tādējādi šī molekulārā pulksteņa daļa seko iepriekš aprakstītā kvarca pulksteņa paraugam.
Lai uzbudinātu amonjaka molekulas, daži augstfrekvences ģeneratora radītie elektromagnētiskie viļņi tiek novadīti maiņstrāvas frekvences reizinātājā (sk. 23. att.). Frekvences reizināšanas koeficients tajā tiek izvēlēts tā, lai tas nonāktu rezonansē. No frekvences reizinātāja izejas elektromagnētiskās svārstības viļņvadā tiek ievadītas ar amonjaka gāzi. Ierīce pie viļņvada izejas - diskriminators - atzīmē caur viļņvadi izvadīto elektromagnētisko svārstību intensitāti un iedarbojas uz augstfrekvences ģeneratoru, mainot tā ierosināto svārstību biežumu. Diskriminators ir veidots tā, ka tad, kad svārstības ar frekvenci zem rezonanses frekvences nonāk pie viļņvada ieejas, tas pielāgo ģeneratoru, palielinot tā svārstību biežumu. Ja viļņvada ievadā nonāk svārstības, kuru frekvence ir augstāka par rezonanses frekvenci, tas samazina ģeneratora frekvenci. Šajā gadījumā rezonanses pieskaņošana ir precīzāka, jo stāvāka iet absorbcijas līkne. Tādējādi ir vēlams, lai elektromagnētisko svārstību intensitātes kritumam, pateicoties to enerģijas rezonanses absorbcijai, ko veic molekulas, jābūt pēc iespējas šaurākai un dziļākai.
Visas šīs savstarpēji savienotās ierīces - ģenerators, reizinātājs, amonjaka gāzes viļņvads un diskriminators - ir atgriezeniskās saites cilpa, kurā ģenerators ierosina amonjaka molekulas un vienlaikus to kontrolē, liekot radīt vēlamās frekvences svārstības. . Tādējādi galu galā molekulārais pulkstenis izmanto amonjaka molekulas kā frekvences un laika standartu. Pirmajā molekulārajā amonjaka pulkstenī, kuru pēc šī principa izstrādāja G. Lions 1953. gadā, kursa nestabilitāte bija aptuveni 10-7, tas ir, frekvences izmaiņas nepārsniedza desmit miljono daļu. Pēc tam nestabilitāte tika samazināta līdz 10 -8, kas atbilst kļūdai laika intervālu mērīšanā par 1 sek vairāku gadu laikā.
Kopumā tā, protams, ir izcila precizitāte. Tomēr izrādījās, ka uzbūvētajā ierīcē elektromagnētiskās enerģijas absorbcijas līkne izrādījās tālu no tik asas, kā gaidīts, bet nedaudz "iesmērēta". Attiecīgi visas ierīces precizitāte izrādījās ievērojami zemāka, nekā gaidīts. Turpmākajos gados veikti pamatīgi šī molekulārā pulksteņa pētījumi ļāva noskaidrot, ka to rādījumi zināmā mērā ir atkarīgi no viļņvada konstrukcijas, kā arī no tajā esošās gāzes temperatūras un spiediena. Tika konstatēts, ka tieši šie efekti ir nestabilitātes avoti šādu pulksteņu darbībā un ierobežo to precizitāti.
Pēc tam šie molekulārā pulksteņa defekti netika pilnībā novērsti. Tomēr bija iespējams nākt klajā ar citiem, progresīvākiem kvantu laika skaitītāju veidiem.
Atomu cēzija pulkstenis
Turpmāki frekvences un laika standartu uzlabojumi ir sasniegti, balstoties uz skaidru amonjaka molekulārā pulksteņa trūkumu cēloņu izpratni. Atgādināsim, ka amonjaka molekulāro pulksteņu galvenie trūkumi ir daži rezonanses absorbcijas līknes "iesmērējumi" un pulksteņu atkarība no viļņvadā esošās gāzes temperatūras un spiediena.
Kādi ir šo defektu cēloņi? Vai tos var novērst? Izrādījās, ka rezonanses smērēšanās notiek viļņvada piepildīšanas gāzes daļiņu termiskās kustības rezultātā. Galu galā dažas no gāzes daļiņām virzās uz elektromagnētiskā viļņa pusi, un tāpēc tām svārstību frekvence ir nedaudz augstāka nekā ģeneratora dotā. Citas gāzes daļiņas, gluži pretēji, pārvietojas no ienākošā elektromagnētiskā viļņa, it kā tās aizbēgtu; viņiem elektromagnētisko svārstību biežums ir nedaudz zemāks par nominālo. Tikai relatīvi ļoti nelielam skaitam stacionāru gāzes daļiņu, to uztverto elektromagnētisko svārstību biežums ir vienāds ar nominālo, t.i. dod ģenerators.
Aprakstītā parādība ir labi pazīstamais gareniskais Doplera efekts. Tas ir tas, kurš noved pie tā, ka rezonanses līkne ir saplacināta un iesmērēta, un tiek atklāta viļņvada izejas strāvas atkarība no gāzes daļiņu kustības ātruma, t.i. par gāzes temperatūru.
Amerikas Standartu biroja zinātnieku komandai ir izdevies pārvarēt šīs grūtības. Tomēr tas, ko viņi darīja kopumā, izrādījās jauns un daudz precīzāks frekvences un laika standarts, lai gan viņi izmantoja dažas jau zināmās lietas.
Šī ierīce vairs neizmanto molekulas, bet gan atomus. Šie atomi ne tikai piepilda trauku, bet pārvietojas starā. Un tā, lai to kustības virziens būtu perpendikulārs elektromagnētiskā viļņa izplatīšanās virzienam. Ir viegli saprast, ka šajā gadījumā gareniskais Doplera efekts nav. Ierīcē tiek izmantoti cēzija atomi, kuru ierosme notiek ar elektromagnētisko svārstību frekvenci, kas vienāda ar 9 192 631 831 periodiem sekundē.
Atbilstošā ierīce ir uzstādīta mēģenē, kuras vienā galā ir elektriskā krāsns 1, kas līdz iztvaikošanai silda metālisko cēziju, un otrā galā detektors 6, kas saskaita to sasniegušo cēzija atomu skaitu ( 24. attēls). Starp tiem ir: pirmais magnēts 2, viļņvads 3, kas nodrošina augstas frekvences elektromagnētiskās svārstības, kolimators 4 un otrais magnēts 5. Kad krāsns tiek ieslēgta, caur spraugu un šauru cēzija staru caurulē ieplūst metāla tvaiki. atomi lido pa savu asi, pa ceļam pakļaujoties pastāvīgo magnētu radītā magnētiskā lauka ietekmei un augstas frekvences elektromagnētiskajam laukam, ko ar viļņvada palīdzību piegādā no ģeneratora uz cauruli tā, lai viļņu izplatīšanās virziens būtu perpendikulārs uz daļiņu lidojuma virzienu.
Šāda ierīce ļauj atrisināt problēmas pirmo daļu: uzbudināt atomus, tas ir, pārnest tos no viena stāvokļa uz otru, un tajā pašā laikā izvairīties no Doplera gareniskā efekta. Ja pētnieki aprobežotos ar šo uzlabojumu, tad ierīces precizitāte, lai arī tā palielināsies, bet ne daudz. Patiešām, no kvēlspuldzes izstarotā atomu starā vienmēr ir neuzbudināti un uzbudināti atomi. Tādējādi, kad avota izstarotie atomi lido pa elektromagnētisko lauku un ir satraukti, tad jau esošajiem ierosinātajiem atomiem tiek pievienots noteikts skaits ierosinātu atomu. Tāpēc ierosināto atomu skaita izmaiņas nav salīdzinoši ļoti lielas, un tāpēc elektromagnētisko viļņu darbības ietekme uz daļiņu staru nav ļoti asa. Ir skaidrs, ka, ja sākotnēji vispār nebūtu uzbudinātu atomu, un tad tie parādījās, tad kopējais efekts būtu daudz kontrastējošāks.
Tātad rodas papildu problēma: sadaļā no avota līdz elektromagnētiskajam laukam izlaidiet atomus normālā stāvoklī un noņemiet ierosinātos. Lai to atrisinātu, nekas jauns nebija jāizdomā, jo mūsu gadsimta četrdesmitajos gados rabīns un pēc tam Ramsijs izstrādāja attiecīgās metodes spektroskopiskiem pētījumiem. Šīs metodes ir balstītas uz faktu, ka visiem atomiem un molekulām ir noteiktas elektriskās un magnētiskās īpašības, un šīs īpašības ir atšķirīgas ierosinātām un neuzbudinātām daļiņām. Tāpēc elektriskajos un magnētiskajos laukos ierosinātie un neizraisītie atomi un molekulas tiek novirzīti dažādos veidos.
Aprakstītajā atomu cēzija pulkstenī uz daļiņu staru ceļa starp avotu un augstfrekvences elektromagnētisko lauku tika uzstādīts pastāvīgais magnēts 2 (skat. 24. attēlu) tā, lai neizraisītās daļiņas būtu vērstas uz kolimatora spraugu, un satrauktie tika noņemti no sijas. Otrs magnēts 5, kas atrodas starp augstfrekvences elektromagnētisko lauku un detektoru, gluži pretēji, tika uzstādīts tā, ka neizstarojušās daļiņas tika noņemtas no stara, un detektoram tika fokusētas tikai uzbudinātas daļiņas. Šī dubultā atdalīšana noved pie tā, ka detektoru sasniedz tikai tās daļiņas, kuras pirms nokļūšanas elektromagnētiskajā laukā nebija satrauktas un pēc tam šajā laukā nonāca ierosinātā stāvoklī. Šajā gadījumā detektora rādījumu atkarība no elektromagnētisko svārstību biežuma izrādās ļoti asa, un attiecīgi elektromagnētiskās enerģijas absorbcijas rezonanses līkne izrādās ļoti šaura un stāva.
Aprakstīto pasākumu rezultātā izrādījās, ka atomu cēzija pulksteņa piedziņas vienība spēj reaģēt pat uz ļoti nelielu augstfrekvences ģeneratora noregulēšanu, un tādējādi tika sasniegta ļoti augsta stabilizācijas precizitāte.
Pārējā ierīce kopumā atkārto molekulārā pulksteņa jēdzienu: augstas frekvences ģenerators kontrolē elektrisko pulksteni un vienlaikus uzbudina daļiņas caur frekvences reizināšanas ķēdēm. Cēzija caurulei un augstfrekvences ģeneratoram pievienots diskriminators reaģē uz caurules darbību un pielāgo ģeneratoru tā, lai tā radīto svārstību frekvence sakristu ar daļiņu ierosmes frekvenci.
Visu šo ierīci kopumā sauc par atomu cēzija pulksteni.
Pirmajos cēzija pulksteņu modeļos (piemēram, Anglijas Nacionālās fizikālās laboratorijas cēzija pulkstenis) nestabilitāte bija tikai 1-9. Šāda veida ierīcēs, kas izstrādātas un būvētas pēdējos gados, nestabilitāte ir samazināta līdz 10 -12 -10 -13.
Jau tika teikts, ka pat labākie mehāniskie astronomiskie pulksteņi to detaļu nodiluma dēļ laika gaitā nedaudz maina savu kursu. Pat kvarca astronomiskais pulkstenis nav bez šī trūkuma, jo kvarca novecošanas dēļ to rādījumi lēnām novirzās. Cēzija atomu pulksteņos frekvences novirze netika atrasta.
Salīdzinot dažādas šo pulksteņu kopijas savā starpā, to svārstību biežums sakrita ± 3 * 10 -12 robežās, kas atbilst tikai 1 sekundes kļūdai 10 000 gadu laikā.
Tomēr šī ierīce nav bez trūkumiem: elektromagnētiskā lauka formas sagrozījumi un relatīvi īss tā ietekmes ilgums uz staru atomiem ierobežo turpmāku laika intervālu mērīšanas precizitātes pieaugumu, izmantojot šādas sistēmas.
Astronomiskais pulkstenis ar kvantu ģeneratoru
Vēl viens solis ceļā uz laika intervālu mērīšanas precizitātes palielināšanu tika veikts, izmantojot molekulārie ģeneratori- ierīces, kurās to lieto elektromagnētisko viļņu emisija no molekulām.
Šis atklājums bija negaidīts un loģisks. Negaidīti - jo šķita, ka veco metožu iespējas ir izsmeltas, un citu nebija. Dabiski - jo vairāki zināmi efekti jau veidoja gandrīz visas jaunās metodes daļas un atlika tikai pareizi apvienot šīs daļas. Tomēr jauna zināmu lietu kombinācija ir daudzu atklājumu būtība. Lai to izdomātu, domāt vienmēr prasa daudz drosmes. Diezgan bieži pēc tam, kad tas ir izdarīts, viss šķiet ļoti vienkārši.
Ierīces, kurās molekulāro starojumu izmanto, lai iegūtu frekvences standartu, sauc par maseriem; šis vārds tiek veidots no izteiksmes sākumburtiem: mikroviļņu pastiprināšana ar stimulētu starojuma emisiju, t.i., radioviļņu pastiprināšana centimetru diapazonā, izmantojot inducēto starojumu. Pašlaik šāda veida ierīces visbiežāk sauc par kvantu pastiprinātājiem vai kvantu ģeneratoriem.
Kas sagatavoja kvantu ģeneratora atklāšanu? Kāds ir tā darbības princips un struktūra?
Pētnieki zināja, ka tad, kad ierosinātās molekulas, piemēram, amonjaks, samazinās enerģijas līmenis un izstaro elektromagnētisko starojumu, tad šo emisijas līniju dabiskais platums ir ārkārtīgi mazs, jebkurā gadījumā daudzas reizes mazāks par absorbcijas līnijas platumu, ko izmanto molekulārajos pulksteņos. Tikmēr, salīdzinot divu svārstību biežumu, rezonanses līknes asums ir atkarīgs no spektrālo līniju platuma, un sasniedzamā stabilizācijas precizitāte ir atkarīga no rezonanses līknes asuma.
Ir skaidrs, ka pētniekus ārkārtīgi interesēja iespēja sasniegt lielāku precizitāti, mērot laika intervālus, izmantojot ne tikai absorbciju, bet arī elektromagnētisko viļņu starojumu, ko veic molekulas. Šķiet, ka šim nolūkam jau ir viss. Patiešām, molekulārā pulksteņa viļņvadā ierosinātās amonjaka molekulas tiek spontāni apgaismotas, tas ir, tās pāriet uz zemāku enerģijas līmeni un tajā pašā laikā izstaro elektromagnētisko starojumu ar frekvenci 23 870 129 129 sekundes sekundē. Šīs emisijas spektrālās līnijas platums patiešām ir ļoti mazs. Turklāt, tā kā molekulārā pulksteņa viļņvads ir piepildīts ar elektromagnētiskām svārstībām, kas tiek piegādātas no ģeneratora, un šo svārstību biežums ir vienāds ar enerģijas kvantu frekvenci, ko izstaro amonjaka molekulas, tad viļņvadā notiek izraisīts ierosinātu amonjaka molekulu emisija, kuras varbūtība ir daudz lielāka nekā spontāna. Tādējādi šis process palielina kopējo radiācijas notikumu skaitu.
Neskatoties uz to, molekulārā pulksteņa viļņvada veida sistēma izrādījās pilnīgi nepiemērota molekulārā starojuma novērošanai un izmantošanai. Patiešām, šādā viļņvadā ir daudz vairāk neuzbudinātu amonjaka daļiņu nekā ierosinātu, un pat ņemot vērā ierosināto starojumu, elektromagnētiskās enerģijas absorbcijas akti notiek daudz biežāk nekā emisijas. Turklāt nav skaidrs, kā šādā viļņvadā var atdalīt enerģijas kvantus, ko izstaro molekulas, kad to pašu tilpumu piepilda ar elektromagnētisko starojumu no ģeneratora, un šim starojumam ir tāda pati frekvence un daudz lielāka intensitāte.
Vai nav taisnība, ka visi procesi izrādās tik sajaukti, ka no pirmā acu uzmetiena šķiet neiespējami izdalīt nepieciešamo? Tomēr tā nav. Galu galā ir zināms, ka ierosinātās molekulas pēc elektriskajām un magnētiskajām īpašībām atšķiras no neuzbudinātām, un tas ļauj tās atdalīt.
1954.-1955. šo problēmu izcili atrisināja N. G. Basovs un A. M. Prohorovs PSRS un Gordons, Zeigers un Taunss ASV *. Šie autori izmantoja faktu, ka uzbudināto un neizraisīto amonjaka molekulu elektriskais stāvoklis ir nedaudz atšķirīgs, un, lidojot pa nehomogēnu elektrisko lauku, tie atšķiras dažādos veidos.
* (J. Singers, Masers, IL, M., 1961; Basovs N.G., Letohovs V.S., Optisko frekvenču standarti, Phys. 4, 1968.)
Atgādināsim, ka starp divām elektriski uzlādētām paralēlām plāksnēm, piemēram, kondensatora plāksnēm, tiek izveidots vienmērīgs elektriskais lauks; starp uzlādētu plāksni un punktu vai diviem uzlādētiem punktiem - neviendabīgi. Ja elektriskos laukus attēlo, izmantojot spēka līnijas, tad viendabīgus laukus attēlo tāda paša blīvuma līnijas un neviendabīgus - nevienāda blīvuma līnijas, piemēram, mazāk plaknē un lielākas vietā, kur līnijas saplūst. Jau sen ir zināmas metodes neviendabīgu vienas vai otras formas elektrisko lauku iegūšanai.
Molekulārais ģenerators ir molekulu avota, elektriskā separatora un rezonatora kombinācija, kas viss ir samontēts caurulē, no kuras tiek izsūknēts gaiss. Dziļai dzesēšanai šī caurule tiek ievietota šķidrs slāpeklis... Tas nodrošina visas ierīces augstu stabilitāti. Daļiņu avots molekulārajā ģeneratorā ir šaura urbuma balons, kas piepildīts ar amonjaka gāzi. Caur šo atveri caurulē nonāk šaurs daļiņu stars ar noteiktu ātrumu (25. attēls, a).
Stara vienmēr satur neuzbudinātas un uzbudinātas amonjaka molekulas. Tomēr parasti ir daudz vairāk satrauktu cilvēku nekā satraukti. Caurulē šo daļiņu ceļā atrodas elektriski uzlādēts kondensators, kas sastāv no četriem stieņiem - tā sauktais kvadrupola kondensators. Tajā elektriskais lauks nav neviendabīgs, un tam ir tāda forma (25. attēls, b), ka, izejot caur to, neizraisītas amonjaka molekulas izkliedējas uz sāniem, un ierosinātās novirzās uz caurules asi un tādējādi fokusējas. Tāpēc šādā kondensatorā daļiņas tiek atdalītas un caurules otru galu sasniedz tikai ierosinātas amonjaka molekulas.
Šajā otrajā caurules galā ir noteikta izmēra un formas trauks - tā sauktais rezonators. Pēc nokļūšanas tajā uzbudinātās amonjaka molekulas pēc neilga laika spontāni pāriet no ierosinātā stāvokļa uz neizraisītu stāvokli un tajā pašā laikā izstaro noteiktas frekvences elektromagnētiskos viļņus. Šis process esot izgaismots. Tādējādi ir iespējams ne tikai iegūt molekulāro starojumu, bet arī to izolēt.
Apsveriet turpmāka attīstībašīs idejas. Rezonanses frekvences elektromagnētiskais starojums, mijiedarbojoties ar neizraisītām molekulām, pārnes tos uz ierosinātu stāvokli. Tas pats starojums, mijiedarbojoties ar ierosinātām molekulām, pārnes tos uz nemudinātu stāvokli, tādējādi stimulējot to starojumu. Atkarībā no tā, kuru molekulu ir vairāk, bez satraukuma vai ierosmes, dominē elektromagnētiskās enerģijas absorbcijas vai ierosinātās emisijas process.
Izveidojot noteiktā tilpumā, piemēram, rezonatoru, ievērojamu ierosināto amonjaka molekulu pārsvaru un piegādājot tam rezonanses frekvences elektromagnētiskās svārstības, ir iespējams pastiprināt ultrahigh frekvenci. Ir skaidrs, ka šī amplifikācija notiek, pateicoties nepārtrauktai ierosinātu amonjaka molekulu sūknēšanai rezonatorā.
Rezonatora loma neaprobežojas tikai ar to, ka tas ir trauks, kurā notiek ierosinātu molekulu emisija. Tā kā rezonanses frekvences elektromagnētiskais starojums stimulē ierosinātu molekulu emisiju, jo lielāks ir šī starojuma blīvums, jo aktīvāks ir šis inducētā starojuma process.
Izvēloties rezonatora izmērus atbilstoši šo elektromagnētisko svārstību viļņu garumam, tādējādi ir iespējams tajā radīt apstākļus stāvošu viļņu rašanās gadījumiem (līdzīgi orgānu cauruļu izmēru izvēlei stāvošo viļņu rašanās gadījumā). atbilstošās elastīgās skaņas vibrācijas tajās). Izgatavojot rezonatora sienas no piemērota materiāla, ir iespējams nodrošināt, ka tās atstaro elektromagnētiskās svārstības ar pēc iespējas mazāk zaudējumiem. Abi šie pasākumi ļauj radīt lielu elektromagnētiskās enerģijas blīvumu rezonatorā un tādējādi palielināt visas ierīces efektivitāti kopumā.
Ja visas pārējās lietas ir vienādas, ieguvums šajā ierīcē izrādās lielāks, jo lielāks ir ierosināto molekulu plūsmas blīvums. Zīmīgi, ka pie dažiem pietiekami lieliem ierosinātu molekulu plūsmas blīvumiem un piemērotiem rezonatora parametriem molekulu starojuma intensitāte kļūst pietiekami augsta, lai segtu dažādus enerģijas zudumus, un pastiprinātājs pārvēršas par mikroviļņu svārstību molekulāro ģeneratoru - tātad ko sauc par kvantu ģeneratoru. Šajā gadījumā vairs nav nepieciešams piegādāt rezonatoram augstas frekvences elektromagnētisko enerģiju. Dažu ierosinātu daļiņu inducētās emisijas procesu atbalsta citu emisijas. Turklāt piemērotos apstākļos elektromagnētiskās enerģijas radīšanas process netiek pārtraukts pat gadījumā, ja daļa no tā tiek novirzīta uz sāniem.
Kvantu ģenerators ar ļoti augstu stabilitāti Dod stingri noteiktas frekvences augstas frekvences elektromagnētiskās svārstības, un to var izmantot laika intervālu mērīšanai. Šajā gadījumā nav nepieciešams, lai tas darbotos nepārtraukti. Pietiek periodiski ar regulāriem intervāliem salīdzināt astronomiskā pulksteņa elektriskā ģeneratora frekvenci ar šo molekulārās frekvences standartu un, ja nepieciešams, ieviest korekciju.
1950. gadu beigās tika uzbūvēts molekulārais amonjaka ģeneratora koriģētais astronomiskais pulkstenis. Viņu īstermiņa nestabilitāte nepārsniedza 10 -12 vienā minūtē, un ilgtermiņa nestabilitāte bija apmēram 10 -10, kas atbilst laika intervālu skaitīšanas traucējumiem tikai par 1 sekundi vairāku simtu gadu laikā.
Turpmāka frekvences un laika standartu uzlabošana tika panākta, pamatojoties uz tām pašām idejām un dažu citu daļiņu kā darba vides izmantošanu, piemēram, talliju un ūdeņradi. Tajā pašā laikā kvantģenerators, kas darbojas uz ūdeņraža atomu kūļa, kuru sešdesmito gadu sākumā izstrādāja un uzbūvēja Goldenbergs, Klepners un Ramzijs, izrādījās īpaši daudzsološs. Šis ģenerators sastāv arī no daļiņu avota, separatora un rezonatora, kas uzstādīts caurulē (26. attēls), kas iegremdēts piemērotā dzesētājvielā. Avots izstaro ūdeņraža atomu staru. Šis stars satur neuzbudinātus un uzbudinātus ūdeņraža atomus, un to ir daudz vairāk nekā bez ierosmes.
Tā kā uzbudinātie ūdeņraža atomi atšķiras no neuzbudinātajiem ar magnētisko stāvokli (magnētisko momentu), tad to atdalīšanai vairs netiek izmantots elektriskais, bet gan magnētiskais lauks, ko rada magnētu pāris. Arī ūdeņraža ģeneratora rezonatoram ir būtiskas iezīmes. Tas ir izgatavots kausēta kvarca kolbas formā, kuras iekšējās sienas ir pārklātas ar parafīnu. Sakarā ar vairākām (apmēram 10 000) elastīgām ūdeņraža atomu refleksijām no parafīna slāņa, daļiņu lidojuma garums un attiecīgi to uzturēšanās laiks rezonatorā, salīdzinot ar molekulāro ģeneratoru, palielinās par tūkstošiem reižu. Tādējādi ir iespējams iegūt ļoti šauras ūdeņraža atomu emisijas spektrālās līnijas un, salīdzinot ar molekulāro ģeneratoru, samazināt visas ierīces nestabilitāti par tūkstošiem reižu.
Mūsdienu astronomisko pulksteņu modeļi ar ūdeņraža kvantu ģeneratoru to veiktspējas ziņā ir pārsnieguši cēzija atomu staru standartu. Tajos netika konstatēts sistemātisks dreifs... Viņu īstermiņa nestabilitāte ir tikai 6 * 10 -14 minūtē, un ilgstoša - 2 * 10 -14 dienā, kas ir desmit reizes mazāka nekā cēzija standartam. Pulksteņa reproducējamība ar ūdeņraža kvantu ģeneratoru ir ± 5 * 10 -13, savukārt cēzija standarta reproducējamība ir ± 3 * 10 -12. Līdz ar to ūdeņraža ģenerators šajā ziņā ir aptuveni desmit reizes labāks. Tādējādi ar ūdeņraža astronomiskā pulksteņa palīdzību ir iespējams nodrošināt laika mērīšanas precizitāti aptuveni 1 sekundes secībā aptuveni simts tūkstošu gadu intervālā.
Tikmēr vairāki pēdējo gadu pētījumi ir parādījuši, ka šī augstā laika intervālu mērīšanas precizitāte, kas sasniegta, pamatojoties uz atomu staru ģeneratoriem, vēl nav ierobežojoša un to var palielināt.
Precīza laika pārraide
Laika dienesta uzdevums nav tikai precīza laika iegūšana un uzglabāšana. Tikpat svarīga tā sastāvdaļa ir šāda precīza laika pārraides organizācija, kurā šī precizitāte nezaudētu.
Vecajās dienās laika signālu pārraide tika veikta, izmantojot mehāniskas, skaņas vai gaismas ierīces. Pēterburgā, tieši pusdienlaikā, izšāva lielgabals; bija iespējams arī salīdzināt savus pulksteņus ar Metroloģijas institūta torņa pulksteni, kas tagad nosaukts DI Mendeļejeva vārdā. Jūras ostās krītoša bumba tika izmantota kā laika signāls. No ostā piestiprinātajiem kuģiem varēja redzēt, kā tieši pusdienlaikā bumba nokrita no īpaša masta gala un nokrita uz kājas.
Mūsdienu intensīvas dzīves normālai norisei ļoti svarīgs uzdevums ir nodrošināt precīzs laiks dzelzceļš, pasts, telegrāfs un lielās pilsētas. Tas neprasa tik augstu precizitāti kā astronomijas un ģeogrāfijas darbā, bet ir nepieciešams, lai ar minūtes precizitāti visās pilsētas daļās, visās mūsu plašās valsts daļās visi pulksteņi rādītu laiku vienādi . Šis uzdevums parasti tiek veikts ar elektrisko pulksteni.
Dzelzceļa un sakaru iestāžu pulksteņu nozarē, modernas pilsētas pulksteņu nozarē liela nozīme ir elektriskajiem pulksteņiem. Viņu ierīce ir ļoti vienkārša, un, neskatoties uz to, ar vienas minūtes precizitāti visās pilsētas vietās tie parāda vienādu laiku.
Elektriskie pulksteņi ir primārie un sekundārie. Primārajiem elektriskajiem pulksteņiem ir svārsts, riteņi, izkļūšana un tie ir reālā laika skaitītāji. Sekundārie elektriskie pulksteņi ir tikai indikatori: tajos nav pulksteņa mehānisma, bet ir tikai salīdzinoši vienkārša ierīce, kas reizi minūtē kustina rokas (27. att.). Katrā strāvas atvērumā elektromagnēts atbrīvo armatūru, un armatūrai piestiprinātais "suns", kas balstās uz sprūdrata rata, pagriež to par vienu zobu. Elektriskās strāvas signāli tiek piegādāti sekundārajam pulkstenim vai nu no centrālā iestatījuma, vai no primārā elektriskā pulksteņa. Pēdējos gados ir parādījušies runājoši pulksteņi, kas veidoti pēc skaņu filmu principa, kas ne tikai parāda, bet arī norāda laiku.
Pārraidei precīzs laiksšodien galvenokārt tiek izmantoti elektriskie signāli, ko sūta pa tālruni, telegrāfu un radio. Pēdējo desmitgažu laikā to pārraides tehnika ir uzlabojusies, un attiecīgi palielinājusies arī precizitāte. 1904. gadā Bigurdans no Parīzes observatorijas pārraidīja ritmiskus laika signālus, kurus Montsouris observatorija uztvēra ar precizitāti 0,02-0,03 sek. 1905. gadā Vašingtonas Jūras observatorija uzsāka regulāru laika signālu pārraidi; 1908. gadā ritmiskos laika signālus sāka pārraidīt no Eifeļa torņa, bet no 1912. gada - no Griničas observatorijas.
Pašlaik precīzu laika signālu pārraide tiek veikta daudzās valstīs. PSRS šādus raidījumus vada Valsts astronomijas institūts. P.K.Šternbergs, kā arī virkne citu organizāciju. Tajā pašā laikā vidējo Saules laika rādījumu pārraidīšanai pa radio tiek izmantotas dažādas programmas. Piemēram, apraides laika signalizācijas programma tiek pārraidīta katras stundas beigās un sastāv no sešiem īsiem impulsiem. Pēdējās no tām sākums atbilst šīs vai tās stundas laikam un 00 min 00 sek. Jūras un gaisa navigācijā tiek izmantota programma, kurā ir piecas 60 impulsu sērijas un trīs sešu īsu signālu sērijas, kuras atdala ar garākiem signāliem. Turklāt ir arī vairākas īpašas laika signalizācijas programmas. Informācija par dažādām īpašām laika signalizācijas programmām tiek publicēta īpašos izdevumos.
Apraides programmu laika signālu pārraides kļūda ir aptuveni ± 0,01 - 0,001 sek, un dažām īpašām ± 10 -4 un pat ± 10 -5 sek. Tādējādi šobrīd ir izstrādātas metodes un ierīces, kas ļauj saņemt, uzglabāt un pārraidīt laiku ar ļoti lielu precizitāti.
Pēdējā laikā precīzas laika uzkrāšanas un pārsūtīšanas jomā ir ieviestas ievērojami jaunas idejas. Pieņemsim, ka ir nepieciešams, lai vairākos jebkuras teritorijas punktos stāvošo pulksteņu rādījumu precizitāte nebūtu sliktāka par ± 30 sekundēm, ja visi šie pulksteņi visu gadu darbojas nepārtraukti. Šādas prasības attiecas, piemēram, uz pilsētas un dzelzceļa pulksteņiem. Prasības nav īpaši stingras, tomēr, lai tās izpildītu ar autonomu pulksteņu palīdzību, ir nepieciešams, lai katra pulksteņa dienas ātrums būtu labāks par ± 0,1 sek, un tam nepieciešami precīzi kvarca hronometri.
Tikmēr, ja šīs problēmas risināšanai tiek izmantots universālā laika sistēma, kas sastāv no primārajiem pulksteņiem un ar tiem saistītā lielā skaitā sekundāro pulksteņu, tad tikai primārajiem pulksteņiem jābūt ar augstu precizitāti. Līdz ar to pat ar paaugstinātām primārā pulksteņa izmaksām un attiecīgi zemām sekundāro pulksteņu izmaksām ir iespējams nodrošināt labu precizitāti visā sistēmā par salīdzinoši zemām kopējām izmaksām.
Protams, šajā gadījumā ir jāpārliecinās, ka pats sekundārais pulkstenis neievieš kļūdas. Iepriekš aprakstītie sekundārie pulksteņi ar sprūdrata riteni un ķepu, kuros roka vienu reizi minūtē pārvietojas pēc signāla, dažreiz darbojas nepareizi. Turklāt laika gaitā kļūda viņu lasījumos uzkrājas. Mūsdienu sekundārajos pulksteņos tiek izmantoti dažādi verifikācijas un rādījumu korekcijas veidi. Vēl lielāku precizitāti nodrošina sekundārie pulksteņi, kas izmanto rūpnieciskās frekvences maiņstrāvu (50 Hz), kuras frekvence ir stingri stabilizēta. Šī pulksteņa galvenā daļa ir sinhronais elektromotors, ko darbina maiņstrāva. Tādējādi šajā pulkstenī pati maiņstrāva ir nepārtraukts laika signāls ar atkārtošanās periodu 0,02 sek.
Pašlaik ir izveidota Atomu pulksteņu sinhronizācija visā pasaulē (WOSAC; nosaukums sastāv no vārdu pirmajiem burtiem: Atomu pulksteņu sinhronizācija visā pasaulē). Šīs sistēmas galvenais primārais pulkstenis atrodas Romā, Ņujorkā, ASV, un sastāv no trim atomu hroniem (atomu cēzija pulksteņi), kuru rādījumi tiek aprēķināti vidēji. Tādējādi tiek nodrošināta laika precizitāte, kas vienāda ar (1-3) * 10 -11. Šis primārais pulkstenis ir saistīts ar pasaules sekundāro pulksteņu tīklu.
Pārbaude parādīja, ka, pārraidot precīzus laika signālus ar WOZAK starpniecību no Ņujorkas štata (ASV) uz Oahu salu (Havaju salas), tas ir, aptuveni 30 000 km, laika rādījumi saskanēja ar 3 mikrosekunžu precizitāti.
Mūsdienās sasniegtā augstā laika zīmogu glabāšanas un pārsūtīšanas precizitāte ļauj atrisināt sarežģītas un jaunas tālsatiksmes navigācijas problēmas, kā arī, kaut arī vecus, bet tomēr svarīgus un interesantus jautājumus par zemes garozas kustību. .
Kur kuģo kontinenti?
Tagad mēs varam atgriezties pie kontinentu kustības problēmas, kas aprakstīta iepriekšējā nodaļā. Tas ir jo interesantāk, jo pusgadsimta laikā, kas pagājis kopš Vēgenera darbu parādīšanās līdz mūsdienām, zinātniskās diskusijas par šīm idejām vēl nav norimušas. Piemēram, W. Munks un G. Makdonalds 1960. gadā rakstīja: "Daži Vegenera dati ir nenoliedzami, taču lielākā daļa viņa argumentu pilnībā balstās uz patvaļīgiem pieņēmumiem." Un tālāk: "Lielas kontinentu maiņas notika pirms telegrafa izgudrošanas, vidējas nobīdes - pirms radio izgudrošanas un pēc tam praktiski nekādas nobīdes netika novērotas."
Šīs kodīgās piezīmes vismaz pirmajā daļā nav bez pamata. Patiešām, Wegepera un viņa līdzstrādnieku veiktie gareniskie mērījumi viņu ekspedīcijās uz Grenlandi (no kurām vienā Vegeners traģiski gāja bojā) tika veikti ar precizitāti, kas nav pietiekama, lai precīzi atrisinātu konkrēto uzdevumu. To atzīmēja viņa laikabiedri.
Viens no pārliecinātākajiem kontinentu kustības teorijas atbalstītājiem tās mūsdienu versijā ir P.N.Kropotkins. 1962. gadā viņš rakstīja: "Paleomagnētiskie un ģeoloģiskie dati norāda, ka mezozoja un kenozoja laikā zemes garozas kustības vadmotīvs bija divu seno kontinentu - Laurāzijas un Gondvānas - sadrumstalotība un to daļu izplatīšanās Klusā okeāna virzienā un Tetija ģeosinklīniskā josta. " Atgādināsim, ka Laurasia aptvēra Ziemeļameriku, Grenlandi, Eiropu un visu Āzijas ziemeļu pusi, Gondvānu - dienvidu kontinentus un Indiju. Tetija okeāns stiepās no Vidusjūras cauri Alpiem, Kaukāzam un Himalajiem līdz Indonēzijai.
Tas pats autors tālāk rakstīja: “Gondvānas vienotība tagad tiek izsekota no prekambrija līdz krīta vidusdaļai, un tās sadrumstalotība tagad izskatās kā ilgs process, kas sākās paleozoikā un sasniedza īpaši lielu mērogu kopš krīta vidus. . Kopš tā laika ir pagājuši 80 miljoni gadu. Līdz ar to attālums starp Āfriku un Dienvidameriku pieauga ar ātrumu 6 cm gadā. Tas pats ātrums iegūts no paleomagnētiskiem datiem Hindustānas kustībai no dienvidu puslodes uz ziemeļiem " . Pēc tam, kad, izmantojot paleomagnētiskos datus, rekonstruējis kontinentu atrašanās vietu, PN Kropotkins nonāca pie secinājuma, ka "šajā laikā kontinenti patiešām tika sasisti tādā blokā, kas atgādināja Vegeneres primārās kontinentālās platformas kontūru".
Tātad, izmantojot dažādas metodes, iegūto datu summa parāda, ka kontinentu modernā atrašanās vieta un to aprises tika izveidotas tālā pagātnē kļūdu virknes un ievērojamas kontinentālo bloku pārvietošanās rezultātā.
Jautājums par kontinentu moderno pārvietošanos tiek izlemts, pamatojoties uz pietiekamu precizitāti veikto garenisko pētījumu rezultātiem. Tas, kas šajā gadījumā nozīmē pietiekamu precizitāti, redzams no tā, ka, piemēram, Vašingtonas platuma grādos garuma izmaiņas par vienu sekundes desmit tūkstošdaļu atbilst 0,3 cm nobīdei. Tā kā aprēķinātais kustības ātrums ir aptuveni 1 m gadā, un mūsdienu laika pakalpojumi jau ir pieejami. Tā kā laika punktu definēšana, precīzā laika glabāšana un pārsūtīšana ir pieejama ar tūkstošdaļu un desmit tūkstošdaļu sekundes precizitāti, tad, lai iegūtu pārliecinošus rezultātus, pietiek veikt attiecīgos mērījumus ar vairāku gadu vai vairāku desmitu gadu intervālu.
Šim nolūkam 1926. gadā tika izveidots 32 novērojumu punktu tīkls un veikti astronomiski gareniskie pētījumi. 1933. gadā tika veikti atkārtoti astronomiski gareniskie pētījumi, un darbā tika iekļauta jau 71 observatorija. Šie mērījumi, kas veikti labā mūsdienu līmenī, kaut arī ne pārāk ilgu laika intervālu (7 gadus), jo īpaši parādīja, ka Amerika neatkāpjas no Eiropas par 1 m gadā, kā domāja Vegeners, bet tuvojas tas ir aptuveni ar ātrumu 60 cm gadā.
Tādējādi ar ļoti precīzu garenisko mērījumu palīdzību tika apstiprināta lielu kontinentālo laukakmeņu mūsdienu kustības klātbūtne. Turklāt bija iespējams uzzināt, ka atsevišķām šo kontinentālo bloku daļām ir nedaudz atšķirīgas kustības.
Observatorijās ir instrumenti, ar kuriem viņi precīzāk nosaka laiku - pārbauda pulksteni. Laiks tiek noteikts atbilstoši pozīcijai, kuru gaismekļi aizņem virs horizonta. Lai observatorijas pulksteņi darbotos pēc iespējas precīzāk un vienmērīgāk intervālā starp vakariem, kad tos pārbauda zvaigžņu novietojums, pulksteņi tiek ievietoti dziļos pagrabos. Šādos pagrabos temperatūra visu gadu ir nemainīga. Tas ir ļoti svarīgi, jo temperatūras izmaiņas ietekmē pulksteņa darbību.
Lai precīzi nosūtītu laika signālus pa radio, observatorijai ir īpašs izsmalcināts pulkstenis, elektriskā un radio iekārta. No Maskavas pārraidītie precīzie laika signāli ir vieni no precīzākajiem pasaulē. Zvaigžņu precīza laika noteikšana, laika glabāšana ar precīzu pulksteni un raidīšana pa radio - tas viss ir Laika dienests.
KUR DARBOJAS ASTRONOMAS
Astronomi veic zinātnisko darbu observatorijās un astronomijas institūtos.
Pēdējie galvenokārt nodarbojas ar teorētiskiem pētījumiem.
Pēc Lielās oktobra sociālistiskās revolūcijas Teorētiskās astronomijas institūts Ļeņingradā, V.I. vārdā nosauktais Astronomijas institūts. PK Sternberg Maskavā, astrofizikas observatorijas Armēnijā, Gruzijā un virkne citu astronomisko institūciju.
Astronomu apmācība un izglītošana notiek universitātēs mehānikas un matemātikas vai fizikas un matemātikas fakultātēs.
Galvenā mūsu valsts observatorija ir Pulkovskaja. Tā tika uzcelta 1839. gadā netālu no Sanktpēterburgas ievērojama krievu zinātnieka vadībā. Daudzās valstīs to pamatoti dēvē par pasaules astronomisko galvaspilsētu.
Pēc Lielā Tēvijas kara tika pilnībā atjaunota Simeiz observatorija Krimā, un netālu no tā Partizanskoje ciematā netālu no Bakhchisarai tika uzcelta jauna observatorija, kur PSRS lielākais teleskops-atstarotājs ar spoguli 1 диаметром m diametrā tagad ir uzstādīts, un drīz vien atstarotājs ar spoguli ar diametru 2,6 m - trešais lielākais pasaulē. Abas observatorijas tagad veido vienu iestādi - PSRS Zinātņu akadēmijas Krimas astrofizikas observatoriju. Kazaņā, Taškentā, Kijevā, Harkovā un citās vietās ir astronomijas observatorijas.
Visās observatorijās mēs veicam zinātnisko darbu pēc saskaņota plāna. Astronomijas zinātnes sasniegumi mūsu valstī palīdz plašam darba cilvēku slānim veidot pareizu, zinātnisku izpratni par apkārtējo pasauli.
Arī citās valstīs ir daudz astronomijas observatoriju. No tām slavenākās ir vecākās no esošajām - Parīze un Griniča, no kuru meridiāna tiek skaitīti pasaules ģeogrāfiskie garumi (nesen šī observatorija tika pārvietota uz jaunu vietu, tālāk no Londonas, kur ir daudz šķēršļi nakts debesu novērošanai). Pasaulē lielākie teleskopi ir uzstādīti Kalifornijā pie Palomāra kalna, Vilsona kalnā un Lick observatorijās. Pēdējais no tiem celts 19. gadsimta beigās, bet pirmie divi - jau 20. gadsimtā.
Ja atrodat kļūdu, lūdzu, atlasiet teksta daļu un nospiediet Ctrl + Enter.
1.2. Laika mērīšana astronomijā
1.2.1. Vispārīgi noteikumi
Viens no ģeodēziskās astronomijas, astrometrijas un kosmosa ģeodēzijas uzdevumiem ir noteikt debess ķermeņu koordinātas noteiktā laika brīdī. Astronomiskās laika skalas veido nacionālie laika dienesti un Starptautiskais laika birojs.
Pamatojoties uz visām zināmajām nepārtrauktā laika skalas konstruēšanas metodēm periodiski procesi, piemēram:
- Zemes rotācija ap savu asi;
- Zemes revolūcija ap Sauli tās orbītā;
- Mēness rotācija ap Zemi tās orbītā;
- svārsta šūpošanās gravitācijas ietekmē;
- kvarca kristāla elastīgās vibrācijas maiņstrāvas iedarbībā;
- molekulu un atomu elektromagnētiskās vibrācijas;
- radioaktīvā atomu kodolu sabrukšana un citi procesi.
Laika sistēmu var iestatīt ar šādiem parametriem:
1) mehānisms - parādība, kas nodrošina periodiski atkārtotu procesu (piemēram, Zemes ikdienas rotāciju);
2) mērogs - laika periods, kurā process atkārtojas;
3) sākuma punkts, nulle punkts - procesa atkārtošanās sākuma brīdis;
4) laika skaitīšanas veids.
Ģeodēziskajā astronomijā tiek izmantota astrometrija, debesu mehānika, siderālā un saules laika sistēma, kuras pamatā ir Zemes rotācija ap savu asi. Šī periodiskā kustība ir vienveidīga, neierobežota laikā un nepārtraukta visā cilvēces pastāvēšanas laikā.
Turklāt tiek izmantota astrometrija un debesu mehānika
Ephemeris un dinamiskās laika sistēmas kā ideāls
vienotas laika skalas struktūra;
Sistēma atomu laiks- pilnīgi vienota laika skalas praktiska ieviešana.
1.2.2. Sidera laiks
Siderālais laiks tiek apzīmēts ar s. Siderālā laika sistēmas parametri ir:
1) mehānisms - Zemes rotācija ap savu asi;
2) skala - siderālās dienas, kas vienādas ar laika intervālu starp diviem secīgiem pavasara ekvinokcijas punkta augšējiem kulminācijas punktiem
iekšā novērošanas punkts;
3) debess sfēras sākumpunkts ir pavasara ekvinokcijas punkts, nulle punkts (siderālās dienas sākums) ir punkta augšējās kulminācijas brīdis;
4) skaitīšanas veids. Siderālā laika mērs ir punkta stundas leņķis
pavasara ekvinokcija, t. To nav iespējams izmērīt, bet jebkurai zvaigznei izteiciens ir patiess
tāpēc, zinot zvaigznes pareizo pacelšanos un aprēķinot tās stundas leņķi t, var noteikt siderālo laiku s.
Atšķirt patiess, vidējs un gandrīz patiess gamma punkti (atdalīšana ir saistīta ar astrācijas astrācijas koeficientu, sk. 1.3.9. punktu), attiecībā pret kuriem patiesais, vidējais un gandrīz patiess siderālais laiks.
Siderālā laika sistēma tiek izmantota, lai noteiktu Zemes virsmas punktu ģeogrāfiskās koordinātas un virziena uz zemes objektiem azimutus, pētot nelikumības Zemes ikdienas rotācijā, nosakot skalu nulles punktus citu laika mērīšanas sistēmu. Šī sistēma, kaut arī tiek plaši izmantota astronomijā, ir neērta ikdienas dzīvē. Dienas un nakts maiņa, pateicoties Saules šķietamajai diennakts kustībai, rada diezgan noteiktu ciklu cilvēka darbībā uz Zemes. Tāpēc laika skaitīšana jau sen ir balstīta uz Saules kustību diennakts laikā.
1.2.3. Patiesais un vidējais Saules laiks. Laika vienādojums
Īstā Saules laika sistēma (vai patiesais Saules laiks- m) izmanto Saules astronomiskiem vai ģeodēziskiem novērojumiem. Sistēmas parametri:
1) mehānisms - Zemes rotācija ap savu asi;
2) mērogs - patiesa Saules diena- laika intervāls starp divām secīgām zemākajām patiesās Saules centra kulminācijām;
3) sākumpunkts ir patiesās Saules diska centrs -, nulle punkts - patiess pusnakts, vai patiesās Saules diska centra apakšējās kulminācijas brīdis;
4) skaitīšanas veids. Patiesā Saules laika mērs ir patiesās Saules t ģeocentriskais stundas leņķis plus 12 stundas:
m = t + 12h.
Patiesā Saules laika vienība - sekunde, kas vienāda ar 1/86400 patiesās Saules dienas, neapmierina pamatprasību attiecībā uz laika mērvienību - tā nav nemainīga.
Patiesās Saules laika skalas neatbilstības iemesli ir
1) nevienmērīga Saules kustība gar ekliptiku Zemes orbītas eliptiskuma dēļ;
2) nevienmērīgs Saules labās debesīs pieaugums gada laikā, jo Saule atrodas gar ekliptiku, aptuveni 23,50 leņķī slīpa uz debess ekvatoru.
Šo iemeslu dēļ patiesās Saules laika sistēmas piemērošana praksē ir neērta. Pāreja uz vienotu saules laika skalu notiek divos posmos.
1. posma pāreja uz fiktīvu vidējā ekliptiskā saule... Par šo
Šajā posmā tiek novērsta nevienmērīgā Saules kustība gar ekliptiku. Neregulāru kustību elipsveida orbītā aizstāj ar vienmērīgu kustību apļveida orbītā. Patiesā saule un vidējā ekliptiskā saule sakrīt, kad Zeme iet caur savas orbītas perihēliju un afēliju.
2. posma pāreja uz vidējā ekvatoriālā saule pārvietojas vienādi
numurēts gar debess ekvatoru. Šeit tiek izslēgts Saules labā pacelšanās pieauguma nevienmērīgums, ko izraisa ekliptikas slīpums. Patiesā saule un vidējā ekvatoriālā saule vienlaicīgi iet gar pavasara un rudens ekvinokciju.
Uzskaitīto darbību rezultātā tiek ieviesta jauna laika mērīšanas sistēma - vidējais Saules laiks.
Vidējo Saules laiku apzīmē ar m. Vidējās Saules laika sistēmas parametri ir:
1) mehānisms - Zemes rotācija ap savu asi;
2) skala - vidējā diena - laika intervāls starp divām secīgām vidējās ekvatoriālās Saules ekvivalenta zemākajām kulminācijām;
3) sākuma punkts - vidējā ekvatoriālā saule ekvivalents, nulles punkts - vidus pusnakts vai vidējās ekvatoriālās Saules apakšējās kulminācijas brīdis;
4) skaitīšanas veids. Vidējā laika mērs ir vidējā ekvatoriālās Saules t ģeocentriskais stundas leņķis ekvivalents plus 12 stundas.
m = t ekv. + 12 stundas.
Tieši no novērojumiem nav iespējams noteikt vidējo saules laiku, jo vidējā ekvatoriālā saule ir fiktīvs punkts debesu sfērā. Vidējo Saules laiku aprēķina pēc patiesā Saules laika, ko nosaka pēc patiesās Saules novērojumiem. Tiek saukta starpība starp patieso saules laiku m un vidējo saules laiku m laika vienādojums un to norāda:
M - m = t - t ir ekvivalents. ...
Laika vienādojumu izsaka divi sinusoīdi ar gada un pusgada
jauni periodi:
1 + 2 -7,7m grēks (l + 790) + 9,5m grēks 2l,
kur l ir vidējās ekliptiskās Saules ekliptiskais garums.
Grafiks ir līkne ar diviem maksimumiem un diviem minimumiem, kas Dekarta taisnstūra koordinātu sistēmā ir tāda, kā parādīts attēlā. 1.18.
1.18. Attēls. Laika grafika vienādojums
Laika vienādojuma vērtības ir no + 14m līdz –16m.
Astronomijas gadagrāmatā katram datumam ir norādīta E vērtība, kas vienāda ar
E = + 12 stundas.
NO šo vērtību, attiecību starp vidējo Saules laiku un patiesās Saules stundas leņķi nosaka izteiksme
m = t-E.
1.2.4. Džuliana dienas
Precīzi nosakot laika intervāla starp diviem attāliem datumiem skaitlisko vērtību, ir ērti izmantot nepārtrauktu dienas skaitīšanu, ko astronomijā sauc par Džuliana dienas.
Jūlija dienu skaitīšanas sākums ir vidējais Griničas pusdienlaiks 4713. gada 1. janvārī pirms mūsu ēras, sākot no šī perioda sākuma, vidējās Saules dienas tiek skaitītas un numurētas tā, lai katrs kalendāra datums atbilstu noteiktai Jūlija dienai, kas īsumā apzīmēta ar JD. Tātad laikmets 1900, janvāris 0.12h UT atbilst Jūlija datumam JD 2415020.0, un laikmets 2000, 1. janvāris 12h UT atbilst JD2451545.0.
Saistītie raksti
