Den kronometer er den disciplin, der omhandler målingen nøjagtige den tid .
I anden halvdel af det XX th århundrede , før den fremskridt på dette område, den trådte i forhold til tidslinjen for definitionen af en tid standard .
Kronometri er baseret på visse fænomeners regelmæssighed og på matematik .
Ved at sammenligne indikationerne af et ur med et referencesystem med et dags interval , opnås en "kørsel i løbet af dagen" udtrykt i sekunder. Hvis uret skrider frem, er dets forløb positivt ; hvis uret forsinkes, er dets kursus negativt . Hvis uret er perfekt, så er forskellen nøjagtigt 24 timer, og dens hastighed siges at være nul .
Referencesystemet udgøres traditionelt af en astronomisk observation, der sigter mod at bestemme tiden.
Vi skylder kronometri arbejde på alle de fejl, der hindrer den nøjagtige drift af ure. Disse inkluderer:
Kronometri er en teoretisk tilgang til måling af tid. På grund af sin store interesse for måleinstrumenter er det ofte knyttet til teknologi .
Ved at observere periodiske fænomener land, såsom solens opgang og nedgang , har mennesket erhvervet sig og derefter forsøgt at definere begrebet tid .
Omkring 1500 f.Kr. AD , "skar egypterne " dagene ud og forsynede sig dermed med præcise vartegn på fortidens rytme. Denne tilgang vil føre til definitionen af tidsenheder , nemlig timer , minutter og sekunder . Fra disse ideer vil mennesket forsøge at designe værktøjer, der er i stand til at måle tid .
Skyggen, der kastes af en pind, der sidder fast i jorden, udvikler sig fra morgen til aften, og når denne skygge er kortest, er det middag. Vi siger så, at solen går over til sin " meridian ", fra det latinske merie-diē , middag . Dette enkle eksperiment resulterer i realisering af en gnomon, der gør det muligt at tælle tidsintervaller, og som er meget tæt på soluret . Denne teknik har mangler: skyggenes sti og hastighed varierer med årstiderne , og om natten er det umuligt at kende tiden. Kun solens passager ved middagstid kan nøjagtigt angive længden af en "sand soldag".
For at overvinde disse fejl er der udviklet værktøjer, der kan fungere dag og nat, de måler ikke længere naturlige periodiske fænomener, men mekaniske periodiske fænomener. Dette er tilfældet med vandure , timeglas eller brandure . Disse når en nøjagtighed på ca. en time om dagen.
Mellem X th århundrede og XVI th århundrede , er mekanikken i verden stræber efter at designe enheder, der, ved hjælp af vægten samles igen eller fjedre bevæbnet, tilbyder en mulighed for at angive tid og give anledning til de første astronomiske ure .
En grundlæggende opfattelse inden for kronometri blev opdaget af Galileo, som i 1638 forstod, at der er svingninger, hvis hastighed næsten er uafhængig af deres amplitude , det er isokronisme . Dette vil føre til en teori om det tunge pendul .
Christian Huygens opfandt i anden halvdel af det XVII th århundrede i samarbejde med Salomon Coster første ur "kontrolleret" af en pendul , og snart efter, at han tilpasser sig se ideen om balance - spiral af Robert Hooke . Den konstante udvikling af denne teknologi vil gøre det muligt at opnå stadig mere præcise "ur" med forskydninger på få minutter og derefter et par sekunder om dagen.
I det XVIII th århundrede , har sejlere længe vidst at måle deres breddegrad , nemlig deres nord-syd stilling. Deres længdegrad , øst-vest position, var sværere at estimere. Stillet over for antallet af søulykker på grund af manglen på en tilstrækkelig præcis metode til at bestemme skibenes position besluttede det britiske parlament i 1714 at tildele " længdegraden " til enhver, der er i stand til at udtænke et middel til at bestemme længdegraden praktisk, pålidelig og under alle omstændigheder om bord på et fartøj til søs.
Tegnearbejder John Harrison inspirerer fra Gemma Frisius 'arbejde og går ind for at tage et præcisionsur om bord og vinde prisen. Denne kendsgerning markerer begyndelsen på moderne kronometri.
Derfor bliver den nøjagtige måling af forløbet tid et vigtigt emne. For at støtte den tekniske udvikling, der er knyttet til urmageri, begyndte den industrielle og kommercielle klasse i Société des Arts de Genève i 1790 at udføre kronometriske tests, men disse viste sig at være ufattelige. Det var først i 1801, at et Marine-kronometer fra Demôle og Magnin blev sammenlignet med den " gennemsnitlige tid ", der blev leveret af Genève-observatoriet , den store succes med denne måling førte til en modernisering af observatoriet og åbningen af en kronometrisk tjeneste i 1842.
I 1857, med henblik på at vælge ure til torpedobåde , den service hydrographique de la Marine lanceret en halvårlig konkurrence baseret på regler udarbejdet af Jean-Pierre Lieussou og er beregnet til måling af kronometre . I 1866 organiserede Neuchâtel Observatory sin første årlige kronometriske konkurrence . Det er åbent for marine- og lommekronometre, som det sender til positionerings- og temperaturtest. Denne type konkurrence gør det muligt at udføre seriøse statistiske undersøgelser af kronometers regelmæssighed og uddybe urmageres viden om indstilling og design af deres produkter.
Ved manuelt vikling af et kronometer overføres energi til en fjeder . Dette forår, mens du slapper af, forårsager et sæt tandhjul, som vil flytte nåle . En regulator er ansvarlig for at bremse afslapningen af foråret, så hænderne angiver den forløbne tid så nøjagtigt som muligt.
Den udstødningen fri anker introduceret i 1769 af Thomas Mudge vil blive forbedret i 1830 af George Augustus Leschot , som den termiske stabilitet af den affjedrede balance er optimeret i begyndelsen af XX th århundrede med Invar og Elinvar af Charles Édouard Guillaume .
De første elektriske ure, der dukkede op i 1840 med Alexender Bain, blev gjort pålidelige, og i 1921 præsenterede William H. Shortt et ganske bemærkelsesværdigt elektromekanisk system .
For at undgå gnidning i et vakuum svinger et pendul inde i et hovedur, som synkroniserer ved hjælp af elektromagneter pendulet til et datterur. Dette sidste pendul bruges til at animere en mekanisme, der gør det muligt at vise timerne og regelmæssigt giver impuls til masterurets pendul for at forhindre, at det stopper.
Dette ur, også kaldet Synchronome , vil blive brugt som standard af frekvens i mange observatorier , gjorde marchen afveg med mindre end et sekund per år.
Bevægelsen af masterurets pendul er indstillet til frekvensen på 1 Hz, hvilket er den perfekte ækvivalent til et sekund.
Efter udviklingen af den første oscillator i kvarts af Walter G. Cady blev det første kvartsur opfundet i 1927 af Warren A. Marrison og Joseph W. Horton ved Bell Laboratories . Det var et vendepunkt i præcision, i en sådan grad, at Adolf Scheibe og Udo Adelsberger opdagede i 1936 takket være denne nye type instrument variationer i jordens rotationshastighed .
Den piezoelektriske kvartskrystal tilbyder en resonansfrekvens og en meget højere stabilitet end de vægte, der er brugt i klassisk urmageri, men med en atomær skala spontane modifikationer, der fordrejer driften af disse ure, når de bliver ældre. En fejlmargen på et sekund nås hvert tiende år, og det er fortsat nødvendigt at kontrollere dem med jævne mellemrum og justere dem på baggrund af astronomiske observationer .
Kvartset i disse laboratorieure vibrerer med en frekvens på 100.000 Hz, som ganges for at regulere en synkronmotor, der bruges til at give tiden.
Harold Lyons byggede i 1948 på National Bureau of Standards en prototype "molekylært ur", et ammoniakur .
Hvis en elektromagnetisk bølge af en bestemt frekvens påføres ammoniak molekyler , vil disse molekyler absorberer energien af den elektromagnetiske bølge.
Et kvartselektronisk kredsløb tilvejebringer en elektromagnetisk bølge, der injiceres i en "bølgeleder" fyldt med ammoniakgas. Denne bølge måles derefter, når den forlader guiden. Normalt skal en stor del af bølgen absorberes af ammoniak. Hvis dette ikke er tilfældet, justeres frekvensen af den injicerede bølge automatisk. Denne slaveringsproces gør det også muligt at kontrollere og begrænse kvarts potentielle drift ved ammoniakmolekylers opførsel.
Den således stabiliserede frekvens af kvarts bruges til at betjene et ur.
Fordelen ved denne type ur er, at den fungerer med en molekylær standard, der er universel og stabil. Desværre vil valget af ammoniakmolekylet kun være uklogt, fordi frekvensen af elektromagnetisk absorption af ammoniak er for variabel. Også dette urs præcision forbliver lavere end dem med kvarts.
En enhed, der udsender en sammenhængende mikrobølgestråle, blev afsløret i april 1954 af Charles H. Townes , dengang en forsker ved Columbia University . Dette er maseren .
Maserens generelle princip er at fange ammoniakmolekyler i et hulrum. Den optiske pumpeteknik anvendes derefter for at opnå en inversion af populationen , hvilket vil føre til, at de fangede molekyler indgår i resonans. Dette resulterer i en ekstremt regelmæssig kvantificerbar svingning.
Ved at forbinde denne svingning med et kvarts opnår vi således et meget kraftigt molekylært ur, hvis præcision er 10 −10 eller ca. et sekund på tredive år.
Princippet om slaveri demonstreret af Harold Lyons ammoniakur blev taget op i 1955 af Louis Essen og Jack VL Parry, der perfektionerede et cæsium- atomur på National Physical Laboratory ved at anvende Norman F. Ramsey's arbejde . Det er ikke længere baseret på molekylernes stabilitet, men på atomernes .
Et atom har flere forskellige energitilstande ; det er muligt at vælge og ændre disse tilstande.
Ved at vælge cæsium 133 atomer med en bestemt energitilstand og derefter bombardere dem med en elektromagnetisk bølge , vil deres energitilstand blive ændret. En detektor gør det muligt at tælle de således modificerede atomer. Målet er kun at finde en atomstilstand. I praksis vil atomernes tilstand kun blive ændret, hvis frekvensen af den sendte elektromagnetiske bølge svarer til en meget præcis måling. Hvis detektoren tæller for mange atomer, der ikke er i den forventede tilstand, justeres frekvensen af den elektromagnetiske bølge automatisk. Således justeres systemet automatisk til en meget regelmæssig frekvens i størrelsesordenen 10 10 Hz , som bruges til at styre et kvartsur.
Disse ure har en nøjagtighed på 10 -12 , de kun afvige med et sekund i 300 år.
I 1967, i løbet af 13 th Generalkonferencen for Mål og Vægt , er det "astronomiske tid" afskaffet til fordel for "atomare tid".
Stillet over for denne spørgsmålstegn ved definitionen af tid drejer forskningen sig ikke længere om den nøjagtige måling af tid, men til den grundlæggende metrologi af tid og frekvenser.
Denne "videnskab om ure" har udviklet sig meget.
Moderne kronometri er i dag i atomistfysikernes hænder . Det er dem, der i 1980'erne udviklede teknikkerne til afkøling og manipulation af neutrale atomer ved hjælp af laser, der gjorde det muligt for atomure at få en præcision, der nu er i størrelsesordenen 10-15 sekunder, hvilket repræsenterer en drift. Af et sekund ud af ti millioner år.
Nuværende urmagere anvender fortsat deres sum af viden, der er akkumuleret med denne disciplin, til fremstilling af ure .
At være i stand til at bestemme tiden med stor nøjagtighed er nyttigt i mange applikationer.
Moderne kronometri gør det muligt at gøre synkroniseringsoperationer inden for telekommunikationsfeltet mere pålidelige , som i tilfælde af tidsdelingsmultiplexing . En ultrastabil tidsskala muliggør præcise trekanter i rummet . Det finder anvendelse i tidsoverførselsapplikationer , i laserafstand , interferometri eller i satellitpositioneringssystemer . Galileo- systemet bruger f.eks. Kolde atomure.
Lige nu giver dybtgående tidsmålinger forskere magt til at forsøge at verificere begreber som relativitetsteorien .
International atomtidTiden produceres af et netværk af atomure sammenlignet med hinanden via en tidsmåling, der skal overholde en protokol, der især inkluderer vægtninger og udelukkelser.
Koordineret universel tidKoordineret universel tid, forkortet UTC, definerer standardtid overalt i verden. Det justeres til den internationale atomtid (TAI) ved en trinforbindelse for at tage højde for den lille afmatning i Jordens rotation på sig selv.
De astrofysikere opdagede millisekund pulsarer i 1982 . Dette er stjerner, der spinder flere hundrede gange i sekundet på sig selv og udsender radiobølger . Nogle har fremsat ideen om at kunne bruge disse bølger i kronometriens tjeneste, men undersøgelsen af disse pulsarer har vist, at de ikke er stabile, hverken på kort eller på lang sigt.
Optiske ureI dag er de mest lovende eksperimentelle resultater opnået ved ion ure og optiske netværk ure , der tilbyder nøjagtighed satser nærmer 10 -18 sekund.
Nukleart urMens en klassisk atomur bruger elektroniske overgange af atomer, der er flere forskerhold arbejder på kerneomdannelser af 229 thorium kerner i for at gøre et ur ved hjælp ionfælder .