Атомные часы: точное время – залог прогресса. Краткая история появления атомных приборов измерения времени
Высокоточные атомные часы, которые совершают ошибку в одну секунду за 300 миллионов лет. Эти часы, заменившие старую модель, которая допускала ошибку в одну секунду за сто миллионов лет, теперь задают стандарт американского гражданского времени. «Лента.ру» решила вспомнить историю создания атомных часов.
Первый атом
Для того чтобы создать часы, достаточно использовать любой периодический процесс. И история появления приборов измерения времени ─ это отчасти история появления либо новых источников энергии, либо новых колебательных систем, используемых в часах. Самыми простыми часами являются, вероятно, солнечные: для их работы необходимо только Солнце и предмет, который отбрасывает тень. Недостатки этого способа определения времени очевидны. Водяные и песочные часы тоже не лучше: они пригодны лишь для измерения сравнительно коротких промежутков времени.
Самые древние механические часы были найдены в 1901 году рядом с островом Антикитера на затонувшем корабле в Эгейском море. Они содержат около 30 бронзовых шестерен в деревянном корпусе размером 33 на 18 на 10 сантиметров и датируются примерно сотым годом до нашей эры.
В течение почти двух тысяч лет механические часы были самыми точными и надежными. Появление в 1657 году классического труда Христиана Гюйгенса «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica») с описанием устройства отсчета времени с маятником в качестве колебательной системы, стало, вероятно, апогеем в истории развития механических приборов такого типа.
Однако астрономы и мореплаватели все равно использовали звездное небо и карты для определения своего местоположения и точного времени. Первые же электрические часы изобрел в 1814 году Фрэнсис Роналдс . Однако первый такой прибор был неточным из-за чувствительности к изменениям температуры.
Дальнейшая история часов связана с использованием в устройствах разных колебательных систем. Представленные в 1927 году сотрудниками Лабораторий Белла кварцевые часы использовали пьезоэлектрические свойства кристалла кварца: при воздействии на него электрического тока кристалл начинает сжиматься. Современные кварцевые хронометры могут обеспечить точность до 0,3 секунды в месяц. Однако, поскольку кварц подвержен старению, с течением времени часы начинают идти с меньшей точностью.
С развитием атомной физики ученые предложили использовать в качестве колебательных систем именно частицы вещества. Так появились первые атомные часы. Идею о возможности использования атомных колебаний водорода для измерения времени предложил еще в 1879 году английский физик лорд Кельвин , однако только к середине XX века это стало возможным.
Репродукция картины Губерта фон Геркомера (1907)
В 1930-х годах американский физик и первооткрыватель ядерного магнитного резонанса Исидор Раби начал работать над атомными часами с цезием-133, однако начало войны помешало ему. Уже после войны в 1949 году в Национальном комитете стандартов США с участием Гарольда Лайонсона были созданы первые молекулярные часы, использующие молекулы аммиака. Но первые такие приборы измерения времени не были точными, как современные атомные часы.
Относительно малая точность была связана с тем, что из-за взаимодействия молекул аммиака между собой и со стенками емкости, в которой находилось это вещество, изменялась энергия молекул, и их спектральные линии уширялись. Этот эффект очень похож на трение в механических часах.
Позднее, в 1955 году, Луи Эсссен из Национальной физической лаборатории Великобритании представил первые атомные часы на цезии-133. Эти часы накапливали ошибку в одну секунду за миллион лет. Прибор получил название NBS-1 и стал считаться цезиевым эталоном частоты.
Принципиальная схема атомных часов состоит из кварцевого генератора, контролируемого дискриминатором по схеме обратной связи. В генераторе используются пьезоэлектрические свойства кварца, тогда как в дискриминаторе происходят энергетические колебания атомов, так что колебания кварца отслеживаются сигналами от переходов с разных энергетических уровней в атомах или молекулах. Между генератором и дискриминатором находится компенсатор, настроенный на частоту атомных колебаний и сравнивающий ее с частотой колебаний кристалла.
Атомы, используемые в часах, должны обеспечивать стабильные колебания. Для каждой частоты электромагнитного излучения существуют свои атомы: кальция, стронция, рубидия, цезия, водорода. Или даже молекулы аммиака и йода.
Эталон времени
С появлением атомных приборов измерения времени стало возможным использовать их в качестве универсального эталона для определения секунды. С 1884 года Гринвичское время, считавшееся мировым стандартом, уступило место эталону атомных часов. В 1967 году решением 12-й Генеральной конференции мер и весов одну секунду определили как продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Такое определение секунды не зависит от астрономических параметров и может воспроизводиться в любой точке планеты. Цезий-133, используемый в эталоне атомных часов, ─ единственный стабильный изотоп цезия со 100-процентной распространенностью на Земле.
Атомные часы используются и в спутниковой системе навигации; они необходимы для определения точного времени и координат спутника. Так, в каждом спутнике системы GPS установлены по четыре комплекта таких часов: два рубидиевых и два цезиевых, которые обеспечивают точность передачи сигнала в 50 наносекунд. На российских спутниках системы ГЛОНАСС тоже установлены цезиевые и рубидиевые атомные приборы измерения времени, а на спутниках разворачивающейся европейской геопозиционной системы Galileo ─ водородные и рубидиевые.
Точность водородных часов ─ самая высокая. Она составляет 0,45 наносекунды за 12 часов. По всей видимости, использование Galileo таких точных часов выведет эту навигационную систему в лидеры уже в 2015 году, когда на орбите будет 18 ее спутников.
Компактные атомные часы
Hewlett-Packard стала первой компанией, которая занялась разработкой компактных атомных часов. В 1964 году ею был создан цезиевый прибор HP 5060A размером с большой чемодан. Компания и дальше развивала это направление, но с 2005 года продала свое подразделение, разрабатывающее атомные часы, компании Symmetricom.
В 2011 году специалисты Лаборатории Дрейпера и Сандийских национальных лабораторий разработали, а компания Symmetricom выпустила первые миниатюрные атомные часы Quantum. На момент выпуска они стоили порядка 15 тысяч долларов, были заключены в герметичный корпус размером 40 на 35 на 11 миллиметров и весили 35 граммов. Потребляемая мощность часов составляла менее 120 милливатт. Первоначально они были разработаны по заказу Пентагона и предназначались для обслуживания навигационных систем, функционирующих независимо от систем GPS, например, глубоко под водой или землей.
Уже в конце 2013 года американская компания Bathys Hawaii представила первые «наручные» атомные часы. В качестве основного компонента в них используется чип SA.45s производства компании Symmetricom. Внутри чипа располагается капсула с цезием-133. В конструкцию часов также входят фотоэлементы и маломощный лазер. Последний обеспечивает нагревание газообразного цезия, в результате чего его атомы начинают переходить с одного энергетического уровня на другой. Измерение времени как раз и производится за счет фиксирования такого перехода. Стоимость нового прибора составляет около 12 тысяч долларов.
Тенденции к миниатюризации, автономности и точности приведут к тому, что уже в недалеком будущем появятся новые устройства с использованием атомных часов во всех сферах человеческой жизни, начиная с космических исследований на орбитальных спутниках и станциях до бытового применениях в комнатных и наручных системах.
Исидор Раби, профессор физики из Колумбийского университета, предложил невиданный доселе проект: часы, работающие по принципу атомного пучка магнитного резонанса. Это произошло в 1945 году, а уже в 1949 Национальное бюро стандартов выпустило первый работающий прототип. В нем считывались колебания молекулы аммиака. Цезий пошел в дело гораздо позже: модель NBS-1 появилась только в 1952 году.
Национальная физическая лаборатория в Англии создала первые часы на основе пучка цезия в 1955 году. Десять с лишним лет спустя, во время Генеральной конференции по мерам и весам были представлены более совершенные часы, также работающие на основе вибраций в атоме цезия. Модель NBS-4 использовалась до 1990 года.
Типы часов
На данный момент существует три типа атомных часов, которые работают примерно по одному и тому же принципу. Цезиевые часы, самые точные, разделяют атом цезия магнитным полем. Самые простые атомные часы, рубидиевые, используют рубидиевый газ, заключенный в стеклянную колбу. И, наконец, водородные атомные часы берут за точку отсчета атомы водорода, закрытые в оболочке из специального материала - он не дает атомам быстро терять энергию.
Который час
В 1999 году Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) предложил еще более совершенную версию атомных часов. Модель NIST-F1 допускает погрешность всего на одну секунду в двадцать миллионов лет.
Самые точные
Но физики из NIST не остановились на достигнутом. Ученые решили разработать новый хронометр, на этот раз на основе атомов стронция. Новые часы работают на 60% предыдущей модели, а это значит, что они теряют одну секунду не за двадцать миллионов лет, а за целых пять миллиардов.
Измерение времени
Международное соглашение определило единственно точную частоту для резонанса частицы цезия. Это 9 192 631 770 герц - при делении выходящего сигнала на это число получается ровно один цикл в секунду.
В прошлом, 2012 году, исполнилось сорок пять лет с того момента, когда человечество решило использовать атомное хронометрирование для максимально точного измерения времени. В 1967 году в Международной категория времени перестала определяться астрономическими шкалами - на смену им пришел цезиевый стандарт частоты. Именно он и получил популярное нынче название - атомные часы. Точное время, которое они позволяют определить, имеет ничтожную погрешность в одну секунду за три миллиона лет, что позволяет использовать их в роли стандарта времени в любом уголке мира.
Немного истории
Сама идея использовать колебания атомов для сверхточного измерения времени впервые была высказана еще в 1879 году британским физиком Уильямом Томсоном. В роли излучателя атомов-резонаторов этот ученый предлагал применить водород. Первые попытки реализовать идею на практике предпринимались лишь в 40-х гг. двадцатого века. А первые в мире работающие атомные часы появились в 1955 году в Великобритании. Их создателем стал британский физик-экспериментатор доктор Луи Эссен. Работали эти часы на основе колебаний атомов цезия-133 и благодаря им ученые наконец смогли измерять время с намного большей точностью, чем было до этого. Первый прибор Эссена допускал погрешность не более секунды на каждые сто лет, однако впоследствии многократно увеличилась и погрешность в секунду может набежать лишь за 2-3 сотни миллионов лет.
Атомные часы: принцип работы
Как же работает это хитроумное «устройство»? В качестве генератора резонансной частоты атомные часы применяют молекул или атомов на квантовом уровне. устанавливает связь системы «атомное ядро - электроны» с несколькими дискретными энергетическими уровнями. Если на такую систему будет воздействовать со строго заданной частотой, то произойдет переход данной системы с низкого уровня на высокий. Возможен также и обратный процесс: переход атома с более высокого уровня на низкий, сопровождаемый излучением энергии. Эти явления можно контролировать и фиксировать все энергетические скачки, создав что-то вроде колебательного контура (его еще называют атомным осциллятором). Его резонансная частота будет соответствовать разности энергий соседних уровней перехода атомов, разделенной на константу Планка.
Такой колебательный контур имеет неоспоримые достоинства по сравнению со своими механическими и астрономическими предшественниками. Для одного такого атомного осциллятора резонансная частота атомов какого-либо вещества будет одинакова, чего нельзя сказать о маятниках и пьезокристаллах. К тому же, атомы не меняют со временем своих свойств и не изнашиваются. Поэтому атомные часы являются чрезвычайно точным и практически вечным хронометром.
Точное время и современные технологии
Телекоммуникационные сети, спутниковая связь, GPS, NTP-сервера, электронные транзакции на бирже, интернет-аукционы, процедура покупки билетов через интернет - все эти и многие другие явления давно уже прочно вошли в нашу жизнь. А ведь если бы человечество не изобрело атомные часы, всего бы этого попросту не было. Точное время, синхронизация с которым позволяет свести к минимуму любые ошибки, задержки и опоздания, дает возможность человеку максимально полно использовать этот бесценный невосполнимый ресурс, которого никогда не бывает слишком много.
В 21 веке спутниковая навигация развивается стремительными темпами. Можно определить положение любых объектов, которые хоть как-то связаны со спутниками, будь то мобильный телефон, автомобиль или космический корабль. Но ничего этого нельзя было бы достичь без атомных часов.
Также эти часы используются в различных телекоммуникациях, например, в мобильной связи. Это самые точные часы, которые когда-либо были, есть и будут.
Без них интернет был бы не синхронизирован, мы не знали бы расстояние до других планет и звезд и т.д.
В часах за секунду принимается 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, которое возникло при переходе между двумя энергетическими уровнями атома цезия-133. Такие часы называются цезиевыми. Но это только один из трех видов атомных часов. Еще есть водородные и рубидиевые часы. Однако, цезиевые часы используются чаще всего, поэтому не будем останавливаться на других видах.
Принцип работы цезиевых атомных часов
Лазер нагревает атомы изотопа цезия и в это время, встроенный резонатор регистрирует все переходы атомов. И, как было сказано ранее, после достижения 9 192 631 770 переходов, отсчитывается одна секунда.
Лазер, встроенный в корпус часов, нагревает атомы изотопа цезия. В это время резонатор регистрирует количество переходов атомов на новый энергетический уровень. Когда достигается определенная частота, а именно 9 192 631 770 переходов (Гц), то отсчитывается секунда, основываясь на международной системе СИ.
Использование в спутниковой навигации
Процесс определения точного местоположения того или иного объекта с помощью спутника весьма непрост. В этом участвует несколько спутников, а именно более 4 на один приемник (например, GPS навигатор в автомобиле).
В каждом спутнике установлены высокоточные атомные часы, радиопередатчик спутника и цифровой генератор кода. Радиопередатчик посылает на Землю цифровой код и информацию о спутнике, а именно параметры орбиты, модель и т.д.
Часы определяют, за какое время этот код дошел до приемника. Таким образом, зная скорость распространения радиоволн, вычисляется расстояние до приемника на Земле. Но одного спутника для этого мало. Современные GPS приемники могут принимать сигналы от 12 спутников одновременно, что позволяет определить местоположение объекта с точностью до 4-х метров. Кстати, стоит отметить, что GPS навигаторы не требуют абонентской платы.
Часто мы слышим фразу, что атомные часы всегда показывают точное время. Но из их названия сложно понять, почему атомные часы самые точные или как они устроены.
То, что в названии есть слово «атомные» вовсе не означает, что часы представляют собой опасность для жизни, даже если в голову сразу же приходят мысли об атомной бомбе или атомной электростанции. В данном случае мы всего лишь говорим о принципе работы часов. Если в обычных механических часах колебательные движения совершают шестеренки и ведется подсчет их движений, то в атомных часах ведется подсчет колебаний электронов внутри атомов. Чтобы лучше понять принцип работы, вспомним физику элементарных частиц.
Все вещества в нашем мире состоят из атомов. Атомы же состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны объединяются друг с другом в ядро, которое также называют нуклоном. Вокруг ядра движутся электроны, которые могут находиться на разных энергетических уровнях. Самое интересное, что при поглощении или отдаче энергии, электрон может переходить со своего энергетического уровня на более высокий или низкий. Электрон может получать энергию из электромагнитного излучения, при каждом переходе поглощая или испуская электромагнитное излучение определенной частоты.
Чаще всего встречаются часы, в которых для изменения используют атомы элемента Цезий -133. Если за 1 секунду маятник обычных часов совершает 1 колебательное движение, то электроны в атомных часах на основе Цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9192631770 Гц. Получается, именно на такое количество промежутков делится одна секунда, если её рассчитывать в атомных часах. Эта величина была официально принята международным сообществом в 1967 году. Представьте огромный циферблат, где находится не 60, а 9192631770 делений, которые составляют всего 1 секунду. Неудивительно, что атомные часы такие точные и обладают целым рядом преимуществ: атомы не подвержены старению, не изнашиваются, а частота колебания будет всегда одинаковой для одного химического элемента, благодаря чему можно синхронно сравнивать, например, показания атомных часов далеко в космосе и на Земле, не боясь погрешностей.
Благодаря атомным часам человечество на практике смогло проверить правильность теории относительности и удостовериться, что , чем на Земле. Атомные часы установлены на многих спутниках и космических аппаратах, они используются для телекоммуникационных нужд, для мобильной связи, по ним сравнивают точное время на всей планете. Без преувеличения, именно благодаря изобретению атомных часов человечество смогло войти в эпоху высоких технологий.
Как работают атомные часы?
Цезий-133 нагревают, выпаривая атомы цезия, которые проходит через магнитное поле, где отбираются атомы с нужным энергетическим состояниям.
Затем отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к 9192631770 Гц, которое создает кварцевый генератор. Под воздействием поля атомы цезия снова меняют энергетические состояния, и попадают на детектор, который фиксирует, когда наибольшее количество попадающих атомов будет обладать «правильным» энергетическим состоянием. Максимальное количество атомов с измененным энергетическим состоянием говорит о том, что частота микроволнового поля подобрана верно, и затем её значение подается в электронное устройство – делитель частоты, который, уменьшая частоту в целое число раз, получает число 1, которое и является эталонной секундой.
Таким образом, атомы цезия используются для проверки правильности частоты магнитного поля, создаваемой кварцевым генератором, помогая поддерживать ее в постоянном значении.
Это интересно: хотя существующие на сегодняшний момент атомные часы беспрецедентно точно и могут миллионы лет идти без погрешностей, физики не собираются останавливаться на достигнутом. Используя атомы различных химических элементов, они постоянно работают над повышением точности атомных часов. Из последних изобретений – атомные часы на стронции , которые в три раза точнее их цезиевого аналога. Чтобы отстать всего на секунду им потребуется 15 млрд. лет – время, превышающее возраст нашей Вселенной…
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
