استاندارد زمان جدید آمریکا

 ساعتی اتمی که در حدود سیصد میلیون سال، حتی یک ثانیه هم اشتباه نخواهد کرد

خلاصه:

مؤسسه ملی استاندارد و تکنولوژی (National Institute of Standard and Technology) (NIST) به طور رسمی ساعت اتمی جدیدی با نام NIST – F2 را به عنوان استاندارد جدید فرکانس و زمان غیر نظامی در آمریکا، به همراه استاندارد NIST – F1 راه اندازی کرد. NIST – F2، با این شعار که در حدود سی صد میلیون سال، حتی یک ثانیه هم اشتباه نمی‌کند، حدود سه برابر دقیق‌تر از NIST – F1 می‌باشد و از سال 1999 به عنوان استاندارد شناخته شده است. هر دو ساعت از منبع اتم سزیم، برای تعیین طول دقیق یک ثانیه استفاده می‌کنند.
فیزیک‌ دانان مؤسسه‌ی ملی استاندارد و فناوری، استیو جیفرتز (Steve Jefferts) و تام هیونر (Tom Heavner)، در کنار ساعت NIST – F2 با منبع سزیم، که یک استاندارد زمان غیر نظامی جدید برای ایالات متحده می‌باشد.
دپارتمان بازرگانی مؤسسه‌ی ملی استاندارد و فناوری آمریکا
(The U.S. Department of Commerce’s National Institute of Standards and Technology) (NIST) به طور رسمی یک ساعت اتمی جدید، به نام NIST – F2 را به عنوان استاندارد جدید فرکانس و زمان غیر نظامی در آمریکا، به همراه استاندارد NIST – F1، راه اندازی کرد.
NIST – F2، با این شعار که در حدود سی صد میلیون سال، حتی یک ثانیه هم اشتباه نمی‌کند، حدود سه برابر دقیق‌تر از NIST – F2 می‌باشد و از سال 1999به عنوان استاندارد شناخته شده است. هر دو ساعت از منبع اتم سزیم، برای تعیین طول دقیق یک ثانیه استفاده می‌کنند.
دانشمندان NIST اخیراً اولین اطلاعات رسمی عمل کرد NIST – F2 را که در حال توسعه برای یک دهه‌ی آینده است، به دفتر بین المللی اوزان و اندازه گیری (International Bureau of Weights and Measures) (BIPM) واقع در نزدیکی پاریس، فرانسه، گزارش کرده‌اند. این آژانس، اطلاعات مربوط به ساعت‌های اتمی را از سرتاسر جهان جمع آوری می‌کند تا زمان هماهنگ جهانی (UTC) را ایجاد کند، استانداردهای بین المللی زمان. با توجه به داده‌های BIPM در حال حاضر NIST – F2 دقیق‌ترین استاندارد جهانی زمان می‌باشد.
NIST – F2 آخرین فناوری از سری ساعت‌های مبتنی بر اتم سزیم است که توسط NIST از سال 1950 در حال گسترش می‌باشد. نقش NIST به عنوان مرجع اندازه گیری ایالات متحده، تلاش در جهت پیش برد زمان منبع‌های اتمی است، که بخشی از زیر ساخت‌های اساسی جامعه‌ی مدرن را تشکیل می‌دهند. بسیاری از فن‌ آوری‌های روزمره، هم‌ چون تلفن‌های همراه، سیستم تعیین موقعیت جهانی (GPS) گیرنده‌های ماهواره‌ای و شبکه‌ی برق، به دقت بالای ساعت‌های اتمی وابسته‌اند. از لحاظ تاریخی، بهبود زمان سنج‌ها، به طور مداوم، به پیش رفت‌های فن‌ آوری و نو آوری منجر شده است.
طراح ارشد مؤسسه‌ی NIST، فیزیک‌ دان استیون جیفرتز، می‌گوید: "اگر ما هر چیزی را در شصت سال گذشته از ساختمان ساعت‌های اتمی یاد گرفته باشیم باید متوجه شده‌ باشیم که هر بار که ما یک ساعت بهتر می‌سازیم، کسی با استفاده از آن پیش رفت می‌کند، که شما حتی نمی‌توانستید تصور آن را هم بکنید."
حال، مؤسسه‌ی NIST در نظر دارد تا به طور هم ‌زمان عمل کرد هر دو ساعت NIST – F1 و NIST – F2 را در بلند مدت مقایسه کند و دانشمندان NIST را در جهت بهبود خدمت رسانی به استانداردهای ایالات متحده برای ساخت ساعت‌های غیر نظامی و شخصی، یاری دهد. رصد خانه‌ی نیروی دریایی ایالات متحده استانداردهای زمان نظامی را نگه ‌داری می‌کند.
هر دو ساعت، NIST – F1 و NIST – F2، فرکانس یک گذار خاص اتم سزیم که 9192631770 ارتعاش در ثانیه است را اندازه گیری می‌کنند و همین به عنوان تعریف ثانیه در واحد بین المللی زمان (SI) مورد استفاده قرار می‌گیرد. تفاوت کار کردهای کلیدی این دو ساعت در این است که F1، در نزدیکی دمای اتاق (در حدود27℃ یا 80℉) کار می‌کند، در حالی که اتم‌ها در F2 درون محیط بسیار سردی نگه‌داری می‌شوند. (در منهای193℃ و یا منهای 316℉). این خنک کننده به طور چشم گیری تشعشعات نا خواسته را کاهش می‌دهد و در نتیجه برخی از اشتباهات بسیار کوچک اندازه گیری شده که باید توسط NIST – F1 اصلاح کرد را کاهش می‌دهد.
استانداردهای اولیه مانند NIST – F1 و NIST – F2 در تکرارهای چند هفته‌ای، به صورت چندین بار در سال عمل می‌کنند تا بازه‌های زمانی NIST را کالیبره کنند. مجموعه‌ای از ساعت‌های با دوام تجاری مانند مایزرهای هیدروژن (دستگاهی که با آن انرژی اتم یا مولکول را زیاد می‌کنند) برای حفظ زمان و ایجاد زمان رسمی روزمره استفاده می‌شود. ساعت NIST به UTC نیز کمک می‌کند. از لحاظ فنی، هر دو ساعت F1 و F2 استانداردهای کاملی هستند، به این معنی که آن‌ها اندازه‌ی ثانیه‌های سیستم SI را اندازه‌گیری می‌کنند و ساعت‌های دیگر را کالیبره می‌کنند. (زمان و فرکانس رابطه‌ی معکوسی با هم ‌دیگر دارند.)
NIST، طیف گسترده‌ای از زمان بندی و خدمات اندازه گیری و هماهنگ سازی را برای پاسخ ‌گویی به طیف عظیمی از نیازهای مشتری فراهم می‌کند. زمان رسمی NIST در هر روز کاری در رد و بدل شدن صدها میلیارد دلار پول در معاملات مالی ایالات متحده تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، زمان NIST، سرویس زمان اینترنت به صنعت و عموم مردم خدمات رسانی می‌کند، همان‌طوری که در اوایل سال 2014، حدود 8 میلیارد درخواست خودکار جهت هم‌ زمان سازی ساعت کامپیوتر و دستگاه‌های شبکه منتشر شد؛ و NIST در حدود 50 میلیون به روز رسانی برای ساعت‌ها و دیگر دستگاه‌ها منتشر کرد.
طبق درخواست سازمان استاندارد ایتالیا، NIST قطعات تکثیری لازم برای نسخه‌ی دوم NIST – F2 را که تحت عنوان IT – CsF2 شناخته می‌شود برای انستیتو نازیونال دی ریکرکا مترولاجیک
(Istitute Nazionale di Ricerca Metrologica) (INRIM) که همتای NIST در تورین ایتالیا است، فراهم کرده است. گروهی از نویسندگان ایتالیایی به گزارشی از NIST، پرداخته‌اند.
قدمت ساعت‌های سزیمی رسمی به سال 1967 بر می‌گردد، زمانی که ثانیه بر اساس ارتعاش اتم سزیم تعریف شد. ساعت سزیم پیش رفت‌های قابل ملاحظه‌ای نسبت به آن زمان داشته و به احتمال زیاد روز به روز هم بیشتر بهبود یابد. اما ساعت‌هایی که در فرکانس‌های مایکرو ویو عمل می‌کنند، مانند همان‌هایی که بر اساس اتم سزیم هستند، به احتمال زیاد به محدودیت‌های کار کردی نهایی خود به خاطر فرکانس‌های نسبتاً پایین مایکرو ویو، نزدیک می‌شوند. در آینده، به احتمال زیاد، عمل کردهای بهتری از ساعت‌های بر پایه‌ی اتم سزیم را، که سطوح انرژی در فرکانس‌های بسیار بالاتر را به بخش قابل مشاهده در طیف الکترو مغناطیس، تغییر می‌دهند، شاهد خواهیم بود. ساعت‌های اتمی نوری زمان را به واحدهای کوچک‌تری تقسیم کرده و می‌توانند به استانداردهای زمان، بیش از 100 برابر دقیق‌تر از استانداردهای ساعت‌های سزیم امروزی دست یابند. فرکانس بالاتر یکی از عواملی مختلفی است که امکان بهبود دقت و صحت را فراهم می‌کند.