MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY II (Přednáška 8) Stručná historie měření času (od kyvadel k frekvenčním hřebenům)

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY II (Přednáška 8) Stručná historie měření času (od kyvadel k frekvenčním hřebenům)"

Gabriela Sedláčková
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY II (Přednáška 8) Stručná historie měření času (od kyvadel k frekvenčním hřebenům) Ondřej Votava J. Heyrovský Institute of Physical Chemistry AS ČR

2 Co nás čeká dnes: Dobrodružný příběh přesného měření času (včetně jedné námořní katastrofy) Atomové hodiny, jejich realizace a technické limitace (rozšíření a posuny spektrálních čar) Optické hodiny: od mikrovln ke světlu Realizace optických frekvenčních referencí: Optické řetězce a frekvenční hřebeny

3 Definice sekundy: Původně byla definována jako 1/86400 astronomického dne. Nicméně v současnosti (od roku 1967) Sekunda trvá po dobu period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hyperjemnými hladinami atomu Cesia 133Cs v základním stavu (při teplotě 0K)

4 Od svíčky k pendlovkám: Dva základní principy: měření periodicity a plynutí (kontinuální procesy)

5 Od svíčky k pendlovkám: Kyvadlo jako první frekvenční standard: Kyvadlo je příkladem harmonického oscilátoru pro který 2 platí: d x F= k Δ x=m 2 dt Galileo Galilei Návrh 1637 Lze najít řešení v tvaru: x (t )=a cos(ω t +ϕ) Pro malé výchylky lze psát: m g k= L k 2π ω= = m T a tedy: L T =2 π g Konstrukce 1665 (Pro 1s kyvadlo L~25cm)

6 Od svíčky k pendlovkám: Kyvadlo jako první frekvenční standard: Galileo Galilei L T =2 π g Návrh 1637 (Pro 1s kyvadlo L~25cm) Konstrukce 1665 Christiaan Huygens

Od svíčky k pendlovkám: Kyvadlo jako první frekvenční standart: Čistě pro zajímavost: Pražský orloj pochází z roku 1410 L T =2 π g Jak fungoval jeho stroj,

7 Od svíčky k pendlovkám: Kyvadlo jako první frekvenční standart: Čistě pro zajímavost: Pražský orloj pochází z roku 1410 L T =2 π g Jak fungoval jeho stroj, když kyvadlový Mechanizmus nebyl ještě objeven? Galileo Galilei Návrh 1637 (Pro 1s kyvadlo L~25cm) verge and foliot escapement Konstrukce 1665 Christiaan Huygens

8 John Harrison a jeho chronometr: Aneb cesta k přesné zeměpisné délce Námořní tragédie na Scilly, 1707

9 John Harrison a jeho chronometr: Aneb cesta k přesné zeměpisné délce Při námořní katastrofě 22. října 1707 ztroskotaly čtyři lodě Královského námořnictva u souostroví Scilly, takřka na dohled domovských břehů. Více než 1,400 námořníků na palubách těchto lodí přišlo o život, a tím se tato událost zapsala mezi nejhorší námořní katastrofy v dějinách Británie. Jako hlavní důvod katastrofy byla označena neschopnost určit přesnou polohu lodí na širém moři, zvláště pak určení zeměpisné délky. Námořní tragédie na Scilly, 1707

10 John Harrison a jeho chronometr: Aneb cesta k přesné zeměpisné délce Zeměpisná délka se určuje z rozdílu místního času a referenčního času : 1 hodina odpovídá otočení země o 15, což odpovídá: Na rovníku 1 hodina odpovídá: 15 x 60 x 1.852km = 1667km Takže abychom určili polohu s přesností na 1km musíme určit čas s přesností na Dt = 1h/1667km = 3600s/1667km ~ 2s Námořní tragédie na Scilly, 1707

11 John Harrison a jeho chronometr: Aneb cesta k přesné zeměpisné délce John Harrison ( ) Harrisonův námořní chronometr H5 Námořní tragédie na Scilly, 1707

12 Lepší hodiny: Přesnější menší rozptyl v rezonanční frekvenci Rychlejší kratší minimální měřitelný časový krok

13 Lepší hodiny: Přesnější menší rozptyl v rezonanční frekvenci Nejlepší kyvadlové hodiny dosáhly přesnosti +/- 0.01s/den Δt t Nejlepší stabilizované krystalové hodiny mají přesnost Δt t a co dál?

14 Atomové hodiny historie: Jsou založené na spektroskopickém standartu frekvence. Tento nápad údajně pochází již z dob lorda Kelvina z roku Metoda magnetické rezonance v molekulových paprscích, kterou vyvinul Isidor Rabi 1949 čpavkový maser (potvrzení konceptu) 1955 první přesné cesiové hodiny 1967 sekunda předefinována na pomocí mikrovlného přechodu v cesiu F=4 6s 2S1/ MHz F=3

15 Atomové hodiny historie: Nápad údajně pochází již z dob lorda Kelvina z roku Metoda magnetické rezonance v molekulových paprscích, kterou vyvinul Isidor Rabi 1949 čpavkový maser (potvrzení konceptu) 1955 první přesné cesiové hodiny 1967 sekunda předefinována na pomocí mikrovlného přechodu v cesiu

16 Ještě lepší hodiny: Rychlejší osilátor (vyšší frekvence) kratší minimální měřitelný časový krok Dt1 Mikrovlnné záření Dt2 Optické záření (vyšší frekvence) Při použití optického záření lze v principu měřit přesně kratší časové úseky (Dt1>>Dt2)

17 Optické hodiny (laserové hodiny) Základní překážkou pro vytvoření optických hodin je obtížnost přímého měření optických frekvencí Nobelova cena za fyziku 2005 John L. Hall Theodor W. Hänsch

18 Frekvenční řetězce: Propojení mikrovlných frekvenčních standadů s optickou oblastí John L. Hall...

19 Frekvenční řetězce: Propojení mikrovlných frekvenčních standadů s optickou oblastí John L. Hall

20 Princip frekvenčních hřebenů frekvence všech módů speciálně konstruovaného femtosekunového laseru lze odvodit pomocí dvou mikrovlnných standardů na frekvencích f0 a fr Tyto módy pak tvoří sekvenci precizně definovaných optických frekvencí tzv. Frekvenční hřeben.

21 Princip frekvenčních hřebenů: určení hodnoty f0

22 Vláknové lasery: frekvenční hřebeny do kapsy Vláknové fs lasery mají velmi širokou oblast emise a jsou tak ideální pro realizaci Frekvenčních hřebenů. Krom toho mohou být velmi kompaktní a spolehlivé.

23 rok Vláknové lasery: frekvenční hřebeny do kapsy Vláknové lasery

24 Shrnutí (a ke zkoušce) Princip atomových hodin a definice sekundy Frekvenční řetězce Frekvenční hřebeny principy a aplikace

Podobné dokumenty

Relativistické jevy při synchronizaci nové generace atomových hodin. Jan Geršl Český metrologický institut

Relativistické jevy při synchronizaci nové generace atomových hodin Jan Geršl Český metrologický institut Objasnění některých pojmů Prostoročas Vlastní čas fyzikálního objektu Souřadnicový čas bodů v prostoročase