Атомные часы. История часов. Как работают атомные часы

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.

МОСКВА, 27 окт — РИА Новости, Ольга Коленцова. Что такое время? Режиссеры фантастических фильмов считают, что это некое измерение, по которому можно передвигаться. В реальном мире время определяется положением предметов в пространстве. Теоретически, если мы сможем вернуть каждую частицу во Вселенной в состояние и положение, в котором она находилась в определенный момент, то совершим путешествие в прошлое.

Итак, пока наши знания дают возможность определять время в зависимости от механических изменений, происходящих в мире. Например, один полный оборот Земли вокруг своей оси определяет день, а вокруг Солнца — год. Но у людей появилась необходимость разбить сутки на более маленькие и четко определяемые отрезки — часы, минуты, секунды.

Для отсчета этих единиц люди придумали особые устройства — часы. Их история длится века, а вместе с технологиями растут и требования к точности измерения времени. Если в быту мы отлично обходимся механическими и электронными часами, то наука требует куда более точных приборов.

Основой для подсчета времени служит некое повторяемое событие, когда объект возвращается в начальное состояние через строго определенный промежуток времени. Например, в механических часах крутятся шестеренки (или качается маятник), а в песочных часах наступает момент, когда все песчинки падают на дно сосуда.

Конечно, современные электронные и механические часы намного точнее их предшественников — водных, песочных и солнечных. Но а некоторых областях требовались еще более точные механизмы. И люди создали часы, работающие на основе процессов, происходящих внутри атома.

Как известно, атом состоит из ядра и электронного облака. Электроны располагаются на разных энергетических уровнях. Чем дальше электрон от ядра, тем большей энергией он обладает. Представьте собаку, привязанную к стальной балке прочным, но растяжимым поводком. Чем дальше она хочет отойти, тем сильнее ей надо натянуть поводок. Конечно, сильная крупная собака сможет отойти дальше, чем маленькая и слабая.

© AP Photo / Focke Strangmann

© AP Photo / Focke Strangmann

При переходе на уровень ниже электрон испускает энергию, а при переходе на более высокий уровень — поглощает. "Прыжками" электронов можно управлять при помощи электромагнитного излучения, являющегося источником энергии. Излучение имеет определенную частоту. Эта величина обратна периоду колебания, то есть времени, необходимому для возвращения совершающего "замкнутые" движения объекта в первоначальное состояние.

Для атомных часов используют кальций, водород, тулий, стронций, рубидий, торий, йод и метан, а чаще всего — цезий. Электроны в атомных часах на основе цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 Гц. Именно на такое число промежутков делится секунда в этих природных часах. Согласно определению, официально принятому еще в 1967 году на Генеральной конференции по мерам и весам, атом цезия-133 признан стандартом для измерений времени. От точности секунды зависит подлинность других основных единиц физических величин, таких как, например, вольт или ватт, которые определяются через время.

Работают сверхточные часы так: цезий-133 нагревают, и некоторые атомы покидают основное вещество, а затем проходят через магнитное поле, которое отсеивает атомы с нужными энергетическими состояниями. Отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к частоте электромагнитного излучения при переходе электрона с одного уровня на другой в цезии-133. Под воздействием поля атомы меняют энергетические состояния и попадают на детектор, который фиксирует момент, когда нужным энергетическим состоянием будет обладать наибольшее количество атомов. Тогда значение частоты электромагнитного поля подается в делитель частоты, определяющий свою единицу посредством деления секунды. Получается "новая секунда", принимаемая за эталон минимальной единицы времени.

© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина

Атомные часы являются наиболее точными приборами для измерения времени, которые существуют сегодня, и приобретают все большее значение с развитием и усложнением современных технологий.

Принцип работы

Атомные часы точное время отсчитывают не благодаря радиоактивному распаду, как может показаться по их названию, а используя колебания ядер и окружающих их электронов. Их частоту определяет масса ядра, гравитация и электростатический «балансир» между положительно заряженным ядром и электронами. Это не совсем соответствует обычному часовому механизму. Атомные часы являются более надежными хранителями времени, потому что их колебания не изменяются в зависимости от таких факторов окружающей среды, как влажность, температура или давление.

Эволюция атомных часов

За многие годы ученые поняли, что атомы обладают резонансными частотами, связанными со способностью каждого поглощать и испускать электромагнитное излучение. В 1930-х и 1940-х годах было разработано оборудование для высокочастотной связи и РЛС, которое могло взаимодействовать с частотами резонанса атомов и молекул. Это способствовало возникновению идеи часов.

Первые экземпляры были построены в 1949 году Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). В качестве источника вибрации в них использовался аммиак. Однако они оказались ненамного точнее существующего стандарта времени, и в следующем поколении был применен цезий.

Новый стандарт

Изменение точности измерения времени оказалось настолько большим, что в 1967 году Генеральная конференция по мерам и весам определила секунду SI как 9 192 631 770 колебаний атома цезия на его резонансной частоте. Это означало, что время больше не было связано с движением Земли. Наиболее стабильные атомные часы в мире были созданы в 1968 году и использовались в качестве части системы отсчета времени NIST вплоть до 1990-х годов.

Вагон усовершенствований

Одним из последних достижений в этой области является лазерное охлаждение. Это улучшило отношение сигнал - шум и сократило неопределенность в тактовом сигнале. Для размещения этой системы охлаждения и другого оборудования, используемого для улучшения цезиевых часов, потребуется место размером с железнодорожный вагон, хотя коммерческие варианты могут поместиться в чемодане. Одна из таких лабораторных установок отсчитывает время в г. Боулдере, штат Колорадо, и является самыми точными часами на Земле. Они ошибаются лишь на 2 наносекунды в день или на 1 с в 1,4 млн лет.

Сложная технология

Такая огромная точность является результатом сложного технологического процесса. Прежде всего жидкий цезий помещают в печь и нагревают до тех пор, пока он не превратится в газ. Атомы металла на высокой скорости выходят через небольшое отверстие в печи. Электромагниты заставляют их разделиться на отдельные пучки с разными энергиями. Необходимый луч проходит через U-образное отверстие, и атомы подвергаются облучению энергией микроволнового излучения частотой 9.192.631.770 Гц. Благодаря этому они возбуждаются и переходят в другое энергетическое состояние. Затем магнитное поле отфильтровывает другие энергетические состояния атомов.

Детектор реагирует на цезий и показывает максимум при правильном значении частоты. Это необходимо для настройки кварцевого генератора, управляющего механизмом тактирования. Деление его частоты на 9.192.631.770 и дает один импульс в секунду.

Не только цезий

Хотя наиболее распространенные атомные часы используют свойства цезия, есть и другие их типы. Они отличаются применяемым элементом и средствами определения изменения энергетического уровня. Другими материалами являются водород и рубидий. Атомные часы на водороде функционируют подобно цезиевым, но требуют емкости со стенками из особого материала, препятствующего слишком быстрой потере атомами энергии. Рубидиевые часы наиболее просты и компактны. В них стеклянная ячейка, заполненная газообразным рубидием, изменяет поглощение света при воздействии сверхвысокой частоты.

Кому необходимо точное время?

Сегодня время можно отсчитывать с особой точностью, но почему это важно? Это необходимо в таких системах, как мобильные телефоны, интернет, GPS, авиационные программы и цифровое телевидение. На первый взгляд это не очевидно.

Пример того, как используется точное время, - синхронизация пакетов. Через среднюю линию связи проходят тысячи телефонных звонков. Это возможно только потому, что разговор не передается полностью. Телекоммуникационная компания разделяет его на мелкие пакеты и даже пропускает часть информации. Затем они проходят через линию вместе с пакетами других разговоров и на другом конце восстанавливаются, не смешиваясь. Система тактирования телефонной станции может определять, какие пакеты принадлежат данному разговору, по точному времени отправки информации.

GPS

Другой реализацией точного времени является система глобального позиционирования. Она состоит из 24 спутников, которые передают свои координаты и время. Любой приемник GPS может соединиться с ними и сравнить время трансляции. Разница позволяет пользователю определить свое местоположение. Если бы эти часы были не очень точными, то система GPS была бы непрактичной и ненадежной.

Предел совершенства

С развитием технологий и атомных часов стали заметны неточности Вселенной. Земля движется неравномерно, что приводит к случайным колебаниям продолжительности лет и дней. В прошлом эти изменения остались бы незамеченными, поскольку инструменты для измерения времени были слишком неточны. Однако, к большому разочарованию исследователей и ученых, время атомных часов приходится корректировать для компенсации аномалий реального мира. Они являются удивительными инструментами, способствующими продвижению современных технологий, но их совершенство ограничено пределами, установленными самой природой.

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.

Когда внезапно отключается свет и чуть позже появляется, как вы узнаете, какое время на часах нужно выставлять? Да, я про электронные часы, которые наверняка у многих из нас есть. Вы хотя бы раз задумывались о том, как регулируется время? В этой статье мы узнаем все об атомных часах и о том, как они заставляют весь мир тикать.

Радиоактивны ли атомные часы?

Атомные часы показывают время лучше любых других часов. Они показывают время лучше, чем вращение Земли и движение звезд. Без атомных часов GPS-навигация была бы невозможной, Интернет не был бы синхронизирован, а положение планет не было бы известно с достаточной точностью для космических зондов и аппаратов.

Атомные часы не радиоактивны. Они не полагаются на атомный распад. Более того, у них есть пружина, как и у обычных часов. Самое большое отличие стандартных часов от атомных в том, что колебания в атомных часах происходят в ядре атома между окружающими его электронами. Эти колебания сложно назвать параллелью балансовому колесику в заводных часах, однако оба типа колебания можно использовать для отслеживания уходящего времени. Частота колебаний внутри атома определяется массой ядра, гравитацией и электростатической «пружиной» между положительным зарядом ядра и облаком электронов вокруг него.

Какие типы атомных часов мы знаем?

Сегодня существуют различные типы атомных часов, однако построены они на одних и тех же принципах. Основное различие связано с элементом и средствами обнаружения изменений уровня энергии. Среди разных типов атомных часов существуют следующие:

• Цезиевые атомные часы, использующие пучки атомов цезия. Часы разделяют атомы цезия с разными энергетическими уровнями магнитным полем.
• Водородные атомные часы поддерживают атомы водорода на нужном энергетическом уровне в контейнере, стены которого сделаны из специального материала, поэтому атомы не теряют высокоэнергетическое состояние слишком быстро.
• Рубидиевые атомные часы, самые простые и компактные из всех, используют стеклянную ячейку с рубидиевыми газом.

Самые точные атомные часы сегодняшнего дня используют атом цезия и обычное магнитное поле с детекторами. Кроме того, атомы цезия сдерживаются лазерными лучами, что уменьшает небольшие изменения частоты из-за эффекта Доплера.

Как работают атомные часы на основе цезия?

У атомов есть характерная частота колебаний. Знакомый вам пример частоты - это оранжевое свечение натрия в поваренной соли, если ее бросить в огонь. У атома есть много разных частот, некоторые в радиодиапазоне, некоторые в диапазоне видимого спектра, а некоторые между этими двумя. Цезий-133 чаще всего выбирают для атомных часов.

Чтобы вызвать резонанс атомов цезия в атомных часах, нужно точно измерить один из переходов или резонансную частоту. Обычно это делается путем блокировки кварцевого генератора в основном микроволновом резонансе атома цезия. Этот сигнал находится в микроволновом диапазоне радиочастотного спектра и обладает той же частотой, что и сигналы спутников прямого вещания. Инженеры знают, как создать оборудование для этой области спектра, в мельчайших подробностях.

Чтобы создать часы, цезий сначала нагревают так, что атомы выпариваются и проходят через трубу с высоким вакуумом. Сначала они проходят через магнитное поле, которое выбирает атомы с нужным энергетическим состоянием; потом они проходят через интенсивное микроволновое поле. Частота микроволновой энергии скачет туда-сюда в узком диапазоне частот, так что в определенный момент она достигает частоты 9 192 631 770 герц (Гц, или циклов в секунду). Диапазон микроволнового генератора уже близок к этой частоте, поскольку ее производит точный кварцевый генератор. Когда атом цезия получает микроволновую энергию нужной частоты, он меняет свое энергетическое состояние.

В конце трубки другое магнитное поле отделяет атомы, которые изменили свое энергетическое состояние, если микроволновое поле было нужной частоты. Детектор в конце трубки дает выходной сигнал, пропорциональный количеству атомов цезия, которые в него попадают, и достигает пика, когда микроволновая частота достаточно верна. Этот пиковый сигнал нужен для корректировки, чтобы привести кварцевый генератор, а значит и микроволновое поле к нужной частоте. Эта заблокированная частота затем делится на 9 192 631 770, чтобы дать знакомый всем один импульс в секунду, нужный реальному миру.

Когда изобрели атомные часы?

В 1945 году профессор физики Колумбийского университета Исидор Раби предложил часы, которые можно сделать на основе техники, разработанной в 1930-х годах. Она называлась атомный пучок магнитного резонанса. К 1949 году Национальное бюро стандартов объявило о создании первых в мире атомных часов на основе молекулы аммиака, колебания которой и считывались, а к 1952 году - создала первые в мире атомные часы на основе атомов цезия, NBS-1.

В 1955 году Национальная физическая лаборатория в Англии построила первые часы на основе пучка цезия в качестве источника калибровки. В течение следующего десятилетия создавались более совершенные часы. В 1967 году в ходе 13 Генеральной конференции по мерам и весам была определена СИ секунды на основе вибраций в атоме цезия. В мировой системе хронометража не было точнее определения, чем это. NBS-4, самые стабильные в мире цезиевые часы, были завершены в 1968 году и использовались до 1990 года.