Атомные часы история. Как работают атомные часы (5 фото)

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.

Новый толчок в развитии устройств для измерения времени был дан физиками-атомщиками.

В 1949-м были построены первые атомные часы, где в качестве источника колебаний выступил не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома.

На практике такие часы оказались не очень точны, к тому же громоздки и дороги и широкого распространения не получили. Тогда было решено обратиться к химическому элементу - цезию. И в 1955-м появились первые атомные часы на основе атомов цезия.

В 1967 году было решено перейти на атомный эталон времени, т. к. вращение Земли замедляется и величина этого замедления - непостоянна. Это значительно затрудняло работу астрономов и хранителей Времени.

В настоящее время Земля вращается с замедлением примерно на 2 миллисекунды за 100 лет.

Колебания длительности суток также достигают тысячных долей секунды. Поэтому точность Гринвичского среднего времени (общепринятого с 1884 года мирового эталона)стала недостаточной. В 1967-м состоялся переход к атомному эталону времени.

Сегодня секунда - это промежуток времени, точно равный 9 192 631 770 периодам излучения, который соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия 133.

На сегодняшний момент в качестве шкалы времени используется Всемирное Координированное Время. Оно формируется Международным бюро мер и весов путем объединения данных лабораторий хранения времени различных стран, а также данных Международной службы вращения Земли. Его точность почти в миллион раз выше, чем астрономическое Гринвичское среднее время.

Разработана технология, которая позволит кардинально уменьшить размеры и стоимость сверхточных атомных часов, что даст возможность широко использовать их в мобильных устройствах самого различного назначения. Ученые смогли создать атомный эталон времени сверхмалых размеров. Такие атомные часы потребляют менее 0,075 Вт и обладают погрешностью не более одной секунды за 300 лет.

Исследовательской группе США удалось создать сверхкомпактный атомный эталон. Стало возможным питать атомные часы от обычных пальчиковых батареек. Сверхточные атомные часы, обычно имеющие, как минимум, метр в высоту, удалось разместить в объеме 1,5х1,5х4 мм

В США разработали экспериментальные атомные часы на одном ионе ртути. Они в пять раз точнее цезиевых, которые приняты в качестве международного стандарта. Цезиевые часы настолько точны, что расхождение в одну секунду будет достигнуто только через 70 миллионов лет, а для ртутных часов этот срок составит 400 миллионов лет.

В 1982 году в спор между астрономическим определением эталона Времени и победившими его атомными часами вмешался новый астрономический объект - миллисекундный пульсар. Эти сигналы по стабильности не уступают лучшим атомным часам

Знаете ли вы?

Первые часы на Руси

В 1412 году в Москве были поставлены часы на дворе великого князя за церковью Благовещения, а делал их Лазарь, монах-серб, который пришел из Сербской земли. К сожалению, описания этих первых на Руси часов не сохранилось.

________

Как появились часы-куранты на Спасской башне московского Кремля?

В 17 веке англичанин Христофор Галовей изготовил куранты для Спасской башни: часовой круг был разбит на 17 секторов, единственная стрелка часов была неподвижна, направлена вниз и показывала на какую-либо цифру циферблата, зато сам циферблат вращался.

Атомные часы

Если оценивать точность кварцевых часов с точки зрения их кратковременной стабильности, то надо сказать, что эта точность значительно выше, чем у маятниковых часов, которые, однако, при длительных измерениях обнаруживают более высокую стабильность хода. У кварцевых часов неправильность хода вызывается изменениями во внутренней структуре кварца и нестабильностью электронных систем.

Главным источником нарушения стабильности частоты является старение кристалла кварца, синхронизирующего частоту осциллятора. Правда, измерения показали, что старение кристалла, сопровождающееся повышением частоты, протекает без больших колебаний и резких изменений. Несмотря на. это, старение нарушает правильную работу кварцевых часов и диктует необходимость регулярного контроля другим устройством с осциллятором, имеющим устойчивую, неизменную частотную характеристику.

Быстрое развитие микроволновой спектроскопии после второй мировой войны открыло новые возможности в области точного измерения времени посредством частот, соответствующих подходящим спектральным линиям. Эти частоты, которые можно было считать эталонами частоты, привели к идее использовать квантовый генератор в качестве эталона времени.

Это решение было историческим поворотом в истории хронометрии, поскольку оно означало замену ранее действовавшей астрономической единицы времени новой квантовой единицей времени. Эта новая единица времени была введена как период излучения точно определенных переходов между энергетическими уровнями молекул некоторых специально выбранных веществ. После интенсивных исследований этой проблемы в первые послевоенные годы удалось построить прибор, работающий на принципе управляемого поглощения микроволновой энергии в жидком аммиаке при весьма низких давлениях. Однако первые опыты с прибором, оснащенным абсорбционным элементом, не дали ожидаемых результатов, поскольку расширение абсорбционной линии, вызываемое взаимными столкновениями молекул, затрудняло определение частоты самого квантового перехода. Лишь методом узкого пучка свободно летящих молекул аммиака в СССР А.М. Прохоров и Н.Г. Басов, а в США Таунс из Колумбийского университета сумели существенно понизить вероятность взаимных столкновений молекул и практически устранить расширение спектральной линии. В этих обстоятельствах молекулы аммиака могли уже играть роль атомного генератора. Узкий пучок молекул, впущенный через сопло в вакуумное пространство, проходит через неоднородное электростатическое поле, в котором происходит разделение молекул. Молекулы в более высоком квантовом состоянии направлялись на настроенный резонатор, где они выделяют электромагнитную энергию с неизменной частотой 23 870 128 825 Гц. Эта частота затем сравнивается с частотой кварцевого осциллятора, входящего в схему атомных часов. На этом принципе был построен первый квантовый генератор - аммиачный мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Таунс получили в 1964 г. за эти работы Нобелевскую премию по физике.

Изучением стабильности частоты аммиачных мазеров занимались также ученые Швейцарии, Японии, ФРГ, Великобритании, Франции и, не в последнюю очередь, Чехословакии. В период 1968-1979 гг. в Институте радиотехники и электроники Чехословацкой Академии наук построено и пущено в опытную эксплуатацию несколько аммиачных мазеров, которые выполняли роль частотных эталонов для хранения точного времени в атомных часах чехословацкого производства. У них была достигнута стабильность частоты порядка 10-10, что соответствует суточным изменениям хода в 20 миллионных частей секунды.

В настоящее время атомные стандарты частоты и времени используются в основном для двух главных целей - для измерения времени и для калибровки и контроля основных стандартов частоты. В обоих случаях сравнивают частоту генератора кварцевых часов с частотой атомного стандарта.

При измерении времени частота атомного стандарта и частота генератора кристаллических часов регулярно сравниваются, и по выявленным отклонениям определяют линейную интерполяцию и среднюю поправку времени. Истинное время получается тогда из суммы показаний кварцевых часов и этой средней поправки времени. При этом погрешность, возникшая вследствие интерполяции, определяется по характеру старения кристалла кварцевых часов.

Исключительные результаты, достигнутые с атомными стандартами времени, с погрешностью, равной лишь 1 с за целую тысячу лет, были причиной того, что на Тринадцатой генеральной конференции по мерам и весам, проходившей в Париже в октябре 1967 г., было дано новое определение единицы времени - атомной секунде, которая определялась теперь как 9 192 631 770 колебаний излучения атома цезия-133.

Как мы указали выше, при старении кристалла кварца постепенно нарастает частота колебаний кварцевого осциллятора и непрерывно увеличивается разница между частотами кварцевого и атомного осциллятора. Если кривая старения кристалла правильна, то достаточно корректировать колебания кварца лишь периодически, хотя бы через интервалы в несколько дней. Таким образом, атомный осциллятор может не быть постоянно связан с системой кварцевых часов, что весьма выгодно, поскольку ограничивается проникание мешающих влияний в измерительную систему.

Швейцарские атомные часы с двумя аммиачными молекулярными осцилляторами, демонстрировавшиеся на Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 г., достигли точности в одну стотысячную секунды в сутки, что превышает точность точных маятниковых часов примерно в тысячу раз. Эта точность уже позволяет изучать периодические нестабильности скорости вращения земной оси. График на рис. 39, который представляет собой как бы изображение исторического развития хронометрических приборов и совершенствования методов измерения времени, показывает, как чуть ли не чудодейственным образом повысилась за несколько столетий точность измерения времени. Лишь за последние 300 лет эта точность увеличилась более чем в 100000 раз.

Рис. 39. Точность хода хронометрических приборов в период с 1930 до 1950 г.

Химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899) первым открыл цезий, атомы которого при надлежаще выбранных условиях способны поглощать электромагнитное излучение с частотой около 9192 МГц. Это свойство использовали Шервуд и Мак Кракен для создания первого цезиевого пучкового резонатора. На практическое использование цезиевого резонатора для измерения частот и времени направил свои усилия вскоре за этим Л. Эссен, работающий в Национальной физической лаборатории в Англии. В сотрудничестве с астрономической группой «Юнайтед Стейтс Нэвел Обсерватори» он уже в 1955-1958 гг. определил частоту квантового перехода цезия в 9 192 631 770 Гц и связал с действующим тогда определением эфемеридной секунды, что намного позднее, как указано выше, привело к установлению нового определения единицы времени. Следующие цезиевые резонаторы были сконструированы в Национальном исследовательском совете Канады в Оттаве, в лаборатории «Суисс де Речерс Хорлоджерес» в Невшателе и др. Первый коммерческий тип атомных часов промышленного производства выпустила на рынок в 1956 г. под названием «Атомихрон» американская фирма «Нешнл Компани Уолден» в Массачусетсе.

Сложность атомных часов заставляет предполагать, что применение атомных осцилляторов возможно лишь в области лабораторного измерения времени, выполняемого с помощью крупных измерительных аппаратов. В действительности так и было до последнего времени. Однако миниатюризация проникла и в эту область. Известная японская фирма «Сэйко-Хаттори», производящая сложные, хронографы с кристаллическими осцилляторами, предложила первые наручные атомные часы, изготовленные опять-таки в сотрудничестве с американской фирмой «Мак-Доннелл Дуглас Астронавтике Компани». Эта фирма производит также миниатюрный топливный элемент, являющийся энергетическим источником для упомянутых часов. Электрическую энергию в этом элементе размером 13 ? 6,4 мм производит радиоизотоп прометия-147; срок службы этого элемента равен пяти годам. Корпус часов, изготовленный из тантала и нержавеющей стали, является достаточной защитой от бета-лучей элемента, излучаемых в окружающую среду.

Астрономические измерения, изучение движения планет в космосе и различные радиоастрономические исследования не обходятся теперь без знания точного времени. Точность, которая в таких случаях требуется от кварцевых или атомных часов, колеблется в пределах миллионных долей секунды. С растущей точностью подаваемой информации о времени нарастали проблемы синхронизации хода часов. Когда-то вполне удовлетворяющий всех метод передаваемых по радио сигналов времени на коротких и длинных волнах оказался недостаточно точным для синхронизации двух недалеко друг от друга расположенных хронометрических приборов с точностью большей, чем 0,001 с, а теперь и эта степень точности уже неудовлетворительна.

Одно из возможных решений - перевозки вспомогательных часов на место сравнительных измерении - дала миниатюризация электронных элементов. В начале 60-х годов были построены специальные кварцевые и атомные часы, которые можно было транспортировать на самолетах. Их можно было перевозить между астрономическими лабораториями, и при этом они давали информацию о времени с точностью одной миллионной доли секунды. Так, например, когда в 1967 г. осуществили межконтинентальную перевозку миниатюрных цезиевых часов, изготовленных калифорнийской фирмой «Хьюлетт-Паккард», этот прибор прошел через 53 лаборатории мира (он был и в ЧССР), и с его помощью был синхронизирован ход местных часов с точностью 0,1 мкс (0,0000001 с).

Для микросекундного сравнения времени можно использовать и спутники связи. В 1962 г. этот метод использовали Великобритания и Соединенные Штаты Америки путем передачи сигнала времени через спутник «Телестар». Намного более благоприятные результаты при меньших затратах дала, однако, передача сигналов с помощью телевизионной техники.

Этот метод передачи точного времени и частоты с помощью синхронизирующих телевизионных импульсов был разработан и развит в чехословацких научных учреждениях. Вспомогательным носителем информации о времени тут являются синхронизирующие видеоимпульсы, которые ни в какой степени не нарушают передачу телевизионной программы. При этом нет никакой надобности вводить в телевизионный сигнал изображения какие-либо дополнительные импульсы.

Условием для использования этого метода является возможность приема одной и той же телевизионной программы в местах нахождения сравниваемых часов. Сравниваемые часы предварительно регулируются до точности в несколько миллисекунд, а измерение должно потом производиться на всех измерительных постах одновременно. Кроме того, необходимо знать разницу во времени, потребную для передачи синхронизирующих импульсов от совместного источника, которым является телевизионный синхронизатор, к приемникам в месте нахождения сравниваемых часов.

Из книги Как люди открывали свою землю автора Томилин Анатолий Николаевич

Атомные ледоколы второго поколения После флагмана ледокольного флота - атомного ледокола «Ленин» в Ленинграде были построены еще три атомных ледокола, атомных богатыря. Их называют ледоколами второго поколения. Что это значит?Пожалуй, прежде всего, при создании новых

Из книги Сломанный меч Империи автора Калашников Максим

ГЛАВА 14 ПРЕРВАННЫЙ ПОЛЕТ «ОРЛАНОВ». РУССКИЕ КРЕЙСЕРЫ - ТЯЖЕЛЫЕ, АТОМНЫЕ, РАКЕТНЫЕ… 1 Мы создаем эту книгу не как плач по потерянному величию. Хотя можем исписать десятки страниц, изображая нынешнее (писано в 1996-м) состояние того, что некогда было флотом великой

Из книги Вторая мировая война автора Бивор Энтони

Глава 50 Атомные бомбы и разгром Японии Май–сентябрь 1945 г. К моменту капитуляции Германии в мае 1945 г. японские армии в Китае получили приказ из Токио начать отход к восточному побережью. Националистические войска Чан Кайши были сильно потрепаны в ходе японского

автора

Солнечные часы Несомненно, самым распространенным хронометрическим прибором были солнечные часы, основанные на кажущемся суточном, а иногда и годовом движении Солнца. Появились такие часы не раньше осознания человеком взаимосвязи между длиной и положением тени от тех

Из книги Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона автора Калюжный Дмитрий Витальевич

Водяные часы Солнечные часы были простым и надежным указателем времени, но страдали некоторыми серьезными недостатками: их работа зависела от погоды и была ограничена временем между восходом и заходом Солнца. Нет сомнений, что из-за этого ученые стали изыскивать иные

Из книги Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона автора Калюжный Дмитрий Витальевич

Огневые часы Помимо солнечных и водяных, с начала XIII века появились и первые огневые, или свечные часы. Это тонкие свечи длиной около метра с нанесенной по всей длине шкалой. Они сравнительно точно показывали время, а в ночные часы еще и освещали жилища церковных и

Из книги Другая история науки. От Аристотеля до Ньютона автора Калюжный Дмитрий Витальевич

Песочные часы Дата возникновения первых песочных часов тоже неизвестна. Но и они, как и масляные лампадные, появились не раньше, чем прозрачное стекло. Считается, что в Западной Европе о песочных часах узнали лишь в конце Средневековья; одним из самых старых упоминаний о

Из книги Охота за атомной бомбой: Досье КГБ №13 676 автора Чиков Владимир Матвеевич

3. Как рождаются атомные шпионы

Из книги Сакура и дуб (сборник) автора Овчинников Всеволод Владимирович

Часы без стрелок «Наследники общества, которое слишком много вложило в империю; люди, окруженные обветшалыми остатками тающего наследства, они не могли заставить себя в момент кризиса отказаться от воспоминаний о прошлом и изменить свой устарелый образ жизни. Пока лицо

Из книги Вторая мировая: ошибки, промахи, потери автора Дейтон Лен

20. ЧАСЫ ТЕМНОТЫ Споем песню про молодых летчиков, Если бы не война, они бы сидели за школьной партой. Песенка 55-й эскадрильи Королевских ВВС, написанная приблизительно в 1918 году Английские истребители одержали победу в Битве за Британию, но истребительная авиация понесла

Из книги Повседневная жизнь благородного сословия в золотой век Екатерины автора Елисеева Ольга Игоревна

Утренние часы Императрица сама разводила камин, зажигала свечи и лампадку и садилась за письменный стол в зеркальном кабинете - первые часы дня были посвящены ее личным литературным упражнениям. Как-то она сказала Грибовскому, что, «не пописавши, нельзя и одного дня

Из книги Великая победа на Дальнем Востоке. Август 1945 года: от Забайкалья до Кореи [ёфицировано] автора Александров Анатолий Андреевич

Глава VII Атомные удары американцев 1День 25 апреля выдался для обоих собеседников особенно приметным. Военный министр Стимсон был готов к этому докладу с начала месяца, но скоропостижная смерть президента Рузвельта смешала графики контактов высших должностных лиц

Из книги Русская Америка автора Бурлак Вадим Никласович

В часы отдохновения Славился Баранов своим хлебосольством и любовью устраивать застолья. Об этом вспоминали русские, туземцы и иностранные моряки. Даже в голодные для колонии времена находил он возможность попотчевать званых и случайных гостей.Если заканчивались

Из книги Египет Рамсесов автора Монтэ Пьер

IV. Часы Египтяне разделяли год на двенадцать месяцев и точно так же делили на двенадцать часов день и на двенадцать – ночь. Вряд ли они делили час на более мелкие отрезки времени. Слово «ат», которое переводится как «мгновение», не имеет никакой определенной

Из книги Крупнейшие шпионы мира автора Уайтон Чарльз

ГЛАВА 12 «АТОМНЫЕ» ШПИОНЫ На рассвете 16 июля 1945 года, когда Черчилль, Трумэн и Сталин собрались в Берлине на Потсдамскую конференцию, в пустыне Аламогордо, штат Нью-Мексико, была взорвана первая атомная бомба. На холмах, в двадцати милях от места взрыва, расположилась

Из книги Русские землепроходцы – слава и гордость Руси автора Глазырин Максим Юрьевич

Атомные реакторы и электронные кристаллы Чиловский Константин (1881 г. р.), русский инженер, изобретатель. Изобрёл устройство для обнаружения подводных лодок, широко применявшееся во время Первой мировой войны (1914–1918). За изобретение награждён французским орденом

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.

Архив Статьи

Какие "часовщики" придумали и совершенствовали этот чрезвычайно точный механизм? Есть ли ему замена? Попробуем разобраться.

В 2012 году атомное хронометрирование будет праздновать своё сорокапятилетие. В 1967 году категория времени в Международной системе единиц стала определяться не астрономическими шкалами, а цезиевым стандартом частоты. Именно его в простонародье и именуют атомными часами.

Каков же принцип работы атомных осцилляторов? В качестве источника резонансной частоты эти "устройства" используют квантовые энергетические уровни атомов или молекул. Квантовая механика связывает с системой "атомное ядро - электроны" несколько дискретных энергетических уровней. Электромагнитное поле определённой частоты может спровоцировать переход этой системы с низкого уровня на более высокий. Возможно и обратное явление: атом может перейти с высокого энергетического уровня на более низкий с излучением энергии. И тем и другим явлением можно управлять и фиксировать эти энергетические межуровневые скачки, создав тем самым подобие колебательного контура. Резонансная частота этого контура будет равна разности энергий двух уровней перехода, делённой на постоянную Планка .

Получаемый при этом атомный осциллятор обладает несомненными преимуществами по отношению к своим астрономическим и механическим предшественникам. Резонансная частота всех атомов выбранного для осциллятора вещества будет, в отличие от маятников и пьезокристаллов, одинакова. Кроме того, атомы с течением времени не изнашиваются и не меняют свои свойства. Идеальный вариант для практически вечного и чрезвычайно точного хронометра.

Впервые возможность использования межуровневых энергетических переходов в атомах в качестве стандарта частоты в далёком 1879 году рассмотрел британский физик Уильям Томсон, более известный как лорд Келвин . В качестве источника атомов-резонаторов он предлагал использовать водород. Однако его изыскания носили скорее теоретический характер. Наука того времени ещё не была готова к разработке атомного хронометра.

Потребовалось почти сто лет, чтобы идея лорда Келвина обрела практическое воплощение. Срок немалый, но и задачка была не из лёгких. Превратить атомы в идеальные маятники на практике оказалось труднее, чем в теории. Сложность заключалась в битве с так называемой резонансной шириной - небольшим колебанием частоты поглощения и испускания энергии при переходе атомов с уровня на уровень. Отношение резонансной частоты к резонансной ширине и определяет качество атомного осциллятора. Очевидно, что чем больше значение резонансной ширины, тем ниже качество атомного маятника. К сожалению, повысить резонансную частоту для улучшения качества невозможно. Она постоянна для атомов каждого конкретного вещества. А вот уменьшить резонансную ширину можно путём увеличения времени наблюдения за атомами.

Технически этого можно добиться следующим образом: пусть внешний, например кварцевый, осциллятор периодически генерирует электромагнитное излучение, заставляющее атомы вещества-донора прыгать по энергетическим уровням. При этом задачей настройщика атомного хронографа является максимальное приближение частоты этого кварцевого осциллятора к резонансной частоте межуровневого перехода атомов. Возможным это становится в случае достаточно большого периода наблюдения за колебаниями атомов и создания обратной связи, регулирующей частоту кварца.

Правда, кроме проблемы снижения резонансной ширины в атомном хронографе существует масса других проблем. Это и допплеровский эффект - смещение резонансной частоты вследствие движения атомов, и взаимные столкновения атомов, вызывающие незапланированные энергетические переходы, и даже влияние всепроникающей энергии тёмной материи.

Впервые попытка практической реализации атомных часов была предпринята в тридцатые годы прошлого столетия учёными Колумбийского университета под руководством будущего нобелевского лауреата доктора Айсидора Раби . В качестве вещества - источника атомов-маятников Раби предложил использовать изотоп цезия 133 Cs. К сожалению, работы Раби, очень заинтересовавшие NBS, были прерваны Второй мировой войной.

После её окончания первенство реализации атомного хронографа перешло к сотруднику NBS Гарольду Лайонсу. Его атомный осциллятор работал на аммиаке и давал погрешность, соизмеримую с лучшими образцами кварцевых резонаторов. В 1949 году аммиачные атомные часы были продемонстрированы широкой публике. Несмотря на довольно посредственную точность, в них были реализованы основные принципы будущих поколений атомных хронографов.

Полученный Луи Эссеном прототип цезиевых атомных часов обеспечивал точность 1*10 -9 , обладая при этом шириной резонанса всего в 340 Герц

Чуть позже профессор Гарвардского университета Норман Рэмси усовершенствовал идеи Айсидора Раби, снизив влияние на точность измерений допплеровского эффекта. Он предложил вместо одного длительного высокочастотного импульса, возбуждающего атомы, использовать два коротких, посланных в плечи волновода на некотором расстоянии друг от друга. Это позволило резко снизить резонансную ширину и фактически сделало возможным создание атомных осцилляторов, на порядок превосходящих по точности своих кварцевых предков.

В пятидесятые годы прошлого столетия на основе схемы, предложенной Норманом Рэмси, в Национальной физической лаборатории (Великобритания) её сотрудник Луи Эссен вёл работу над атомным осциллятором на основе предложенного ранее Раби изотопа цезия 133 Cs. Цезий был выбран неслучайно.

Схема сверхтонких уровней перехода атомов изотопа цезия-133

Относясь к группе щелочных металлов, атомы цезия чрезвычайно просто возбуждаются для скачка между энергетическими уровнями . Так, например, пучок света легко способен выбить из атомной структуры цезия поток электронов. Именно благодаря этому свойству цезий широко применяется в составе фотодетекторов.

Устройство классического цезиевого осциллятора на основе волновода Рэмси

Первый официальный цезиевый стандарт частоты NBS-1

Потомок NBS-1 - осциллятор NIST-7 использовал лазерную накачку луча атомов цезия

Чтобы прототип Эссена стал настоящим стандартом, потребовалось более четырёх лет. Ведь точная настройка атомных часов была возможна только путём сравнения с существующими эфемеридными единицами времени. В течение четырёх лет атомный осциллятор калибровался с помощью наблюдений за вращением Луны вокруг Земли с помощью точнейшей лунной камеры, изобретённой сотрудником Военно-морской обсерватории США Уильямом Марковицем.

"Подгонка" атомных часов по лунным эфемеридам велась с 1955 по 1958 год, после чего устройство было официально признано NBS в качестве стандарта частоты. Более того, беспрецедентная точность цезиевых атомных часов сподвигла NBS сменить в стандарте SI единицу измерения времени. С 1958 года в качестве секунды официально была принята "продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующая переходу между двумя сверхтонкими уровнями стандартного состояния атома изотопа цезия-133".

Устройство Луи Эссена получило наименование NBS-1 и стало считаться первым цезиевым стандартом частоты.

За последующие тридцать лет были разработаны шесть модификаций NBS-1, последняя из которых - NIST-7, созданная в 1993 году благодаря замене магнитов на лазерные ловушки, обеспечивает точность 5*10 -15 при резонансной ширине всего шестьдесят два Герца.

Сравнительная таблица характеристик цезиевых стандартов частоты, используемых NBS

Цезиевый стандарт частоты	Время функционирования	Время работы в качестве официального стандарта NPFS	Резонансная ширина	Длина СВЧ-волновода	Величина погрешности
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300 Гц	55 см	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110 Гц	164 см	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48 Гц	366 см	5*10 -13
NBS-4	1965-1990-e	нет	130 Гц	52,4 см	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45 Гц	374 см	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 Гц	374 см	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 Гц	155 см	5*10 -15

Устройства NBS являются стационарными стендами, что позволяет отнести их скорее к эталонам, чем к практически используемым осцилляторам. А вот для сугубо практических целей на благо цезиевого стандарта частоты поработала компания Hewlett-Packard. В 1964 году будущий компьютерный гигант создал компактный вариант цезиевого стандарта частоты - устройство HP 5060A.

Откалиброванные с использованием эталонов NBS, частотные стандарты HP 5060 умещались в типовую стойку радиооборудования и имели коммерческий успех. Именно благодаря цезиевому стандарту частоты, заданному в Hewlett-Packard, беспрецедентная точность атомных часов пошла в широкие массы.

Hewlett-Packard 5060A.

В результате стали возможны такие вещи, как спутниковое телевидение и связь, глобальные системы навигации и службы синхронизации времени информационных сетей. Применений доведённой до промышленного образца технологии атомного хронографа нашлось много. При этом в Hewlett-Packard не останавливались на достигнутом и постоянно улучшают качество цезиевых стандартов и их массо-габаритные показатели .

Семейство атомных часов компании Hewlett-Packard

В 2005 году подразделение Hewlett-Packard, отвечающее за разработку атомных часов, было продано компании Simmetricom .

Наряду с цезием, запасы которого в природе весьма ограничены, а спрос на него в самых разных технологических областях чрезвычайно велик, в качестве вещества-донора использовался рубидий, по свойствам очень близкий к цезию.

Казалось бы, существующая схема атомных часов доведена до совершенства. Между тем она имела досадный недостаток, устранение которого стало возможным во втором поколении цезиевых стандартов частоты, именуемых цезиевыми фонтанами.

Фонтаны времени и оптическая патока

Несмотря на высочайшую точность атомного хронометра NIST-7, использующего лазерное детектирование состояния атомов цезия, его схема принципиально не отличается от схем первых вариантов цезиевых стандартов частоты.

А конструктивным недостатком всех этих схем является то, что контролировать скорость распространения луча из атомов цезия, двигающихся в волноводе, принципиально невозможно. И это при том, что скорость движения атомов цезия при комнатной температуре - сто метров в секунду. Весьма быстро.

Именно поэтому все модификации цезиевых стандартов - это поиск баланса между размерами волновода, успевающего воздействовать на быстрые атомы цезия в двух точках, и точностью детектирования результатов этого воздействия. Чем меньше волновод, тем труднее успеть сделать последовательные электромагнитные импульсы, воздействующие на одни и те же атомы.

А что если найти способ снизить скорость движения атомов цезия? Именно этой мыслью озаботился студент Масачуссетского технологического института Джеролд Захариус , изучавший в конце сороковых годов прошлого столетия влияние силы тяжести на поведение атомов. Позднее, привлечённый к разработке варианта цезиевого стандарта частоты Atomichron , Захариус предложил идею цезиевого фонтана - способа, позволяющего снизить скорость движения атомов цезия до одного сантиметра в секунду и избавиться от двухколенного волновода традиционных атомных осцилляторов.

Идея Захариуса была проста. Что если запускать атомы цезия внутри осциллятора вертикально? Тогда одни и те же атомы будут дважды проходить через детектор: первый раз при путешествии вверх, а второй - вниз, куда они устремятся под действием силы тяжести. При этом движение атомов вниз будет существенно медленнее их взлёта, ведь за время путешествия в фонтане они подрастеряют энергию. К сожалению, в пятидесятые годы прошлого столетия реализовать свои идеи Захариус не смог. В его экспериментальных установках атомы, двигавшиеся вверх, взаимодействовали с падающими вниз, что сбивало точность детектирования.

К идее Захариуса вернулись только в восьмидесятые годы. Учёные Стенфордского университета под руководством Стивена Чу нашли способ реализации фонтана Захариуса с использованием метода, названного ими "оптическая патока".

В цезиевом фонтане Чу облако атомов цезия, выстреливаемых вверх, предварительно охлаждается системой из трёх пар противоположно направленных лазеров, имеющих резонансную частоту чуть ниже оптического резонанса атомов цезия.

Схема цезиевого фонтана с оптической патокой.

Охлаждённые лазерами атомы цезия начинают двигаться медленно, словно сквозь патоку. Их скорость падает до трёх метров в секунду. Уменьшение скорости атомов даёт исследователям возможность более точного детектирования состояния (согласитесь, значительно проще рассмотреть номера машины, двигающейся со скоростью один километр в час, чем машины, двигающейся со скоростью сто километров в час).

Шар из охлаждённых атомов цезия запускается вверх примерно на метр, по пути проходя волновод, через который на атомы воздействует электромагнитное поле резонансной частоты. И детектор системы фиксирует изменение состояния атомов в первый раз. Достигнув "потолка", охлаждённые атомы начинают падать благодаря силе тяжести и проходят волновод во второй раз. На обратном пути детектор снова фиксирует их состояние. Поскольку атомы двигаются чрезвычайно медленно, их полёт в виде достаточно плотного облака легко контролировать, а значит, в фонтане не будет одновременно летящих вверх и вниз атомов.

Установка Чу на основе цезиевого фонтана была принята NBS в качестве стандарта частоты в 1998 году и получила название NIST-F1. Её погрешность составляла 4*10 -16 , а значит, NIST-F1 была точнее предшественника NIST-7.

Фактически в NIST-F1 был достигнут предел точности измерений состояния атомов цезия. Но учёные на этой победе не остановились. Они решили устранить погрешность, которую вносит в работу атомных часов излучение абсолютно чёрного тела - результат взаимодействия атомов цезия с тепловым излучением корпуса установки, в которой они двигаются. В новом атомном хронографе NIST-F2 цезиевый фонтан размещался в криогенной камере, сводя излучение абсолютно чёрного тела практически к нулю. Погрешность NIST-F2 равна невероятной величине 3*10 -17 .

График уменьшения погрешности вариантов цезиевых стандартов частоты

В настоящее время атомные часты на основе цезиевых фонтанов дают человечеству точнейший эталон времени, относительно которого бьётся пульс нашей техногенной цивилизации. Благодаря инженерным ухищрениям импульсные водородные мазеры, которые охлаждают атомы цезия в стационарных вариантах NIST-F1 и NIST-F2, были заменены на обычный лазерный луч, работающий в паре с магнитооптической системой. Это позволило создать компактные и очень устойчивые ко внешним воздействиям варианты стандартов NIST-Fx, способные трудиться в космических аппаратах. Весьма образно названные "Aerospace Cold Atom Clock ", эти стандарты частоты установлены в спутниках таких навигационных систем, как GPS, что и обеспечивает их потрясающую синхронизацию для решения задачи очень точного вычисления координат приёмников GPS, используемых в наших гаджетах.

Компактный вариант атомных часов на основе цезиевого фонтана, называемый "Aerospace Cold Atom Clock", используется в спутниках системы GPS

Вычисление эталонного времени выполняется "ансамблем" из десяти NIST-F2, расположенных в различных исследовательских центрах, сотрудничающих с NBS. Точное значение атомной секунды получается коллегиально, и тем самым устраняются различные погрешности и влияние человеческого фактора.

Однако не исключено, что однажды цезиевый стандарт частоты будет восприниматься нашими потомками как весьма грубый механизм измерения времени, подобно тому, как ныне мы снисходительно смотрим на движения маятника в механических напольных часах наших предков.