Атомные часы. История часов

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.

Во-первых, часы использует человечество в качестве средств программно-временного управления.

Во-вторых, в наши дни измерение времени является и самым точным видом измерений из всех проводимых: точность измерения времени определяется сейчас невероятно погрешностью порядка 1·10-11 %, или 1 с за 300 тыс. лет.

А добились такой точности современные люди, когда стали использовать атомы , которые в результате своих колебаний являются регулятором хода атомных часов. Атомы цезия находятся в двух, необходимых нам, энергетических состояниях (+) и (-). Электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 герц образуется, когда атомы переходят из состояния (+) в (-), создавая точный постоянный периодический процесс - регулятор кода атомных часов.

Для того, чтобы атомные часы работали точно цезий необходимо испарить в печи, в результате этого процесса выбрасываются его атомы. Позади печи находится сортирующий магнит, который обладает пропускной способностью атомов в состоянии (+), а в нем за счет облучения в микроволновом поле атомы переходят в состояние (-). Второй магнит направляет атомы, изменившие состояние (+) на (-) в приемное устройство. Много атомов, изменивших свое состояние, получается лишь в том случае, если частота микроволнового излучателя в точности совпадет с частотой колебаний цезия 9 192 631 770 герц. Иначе, количество атомов (-) в приемном устройстве уменьшается.

Приборы постоянно отслеживают и регулируют постоянство частоты 9 192 631 770 герц. А значит, осуществилась мечта часовых конструкторов, найден абсолютно постоянный периодический процесс: частота 9 192 631 770 герц, регулирующая ход атомных часов.

Сегодня, в результате международного соглашения, секунда определяется как период излучения умноженный на 9 192 631 770, соответствующий переходу между двумя гипертонкими структурными уровнями основного состояния атома цезия (изотопа цезия-133).

Для измерения точного времени можно использовать также колебания других атомов и молекул, таких как, атомы кальция, рубидия, цезия, стронция, молекул водорода, йода, метана и т. д. Однако, стандартом частоты признано излучение атома цезия. Для того чтобы осуществить сравнение колебаний разных атомов со стандартом (цезия) создан титан-сапфировый лазер, генерирующий широкий диапазон частот в диапазоне от 400 до 1000 нм.

Первым создателем кварцевых и атомных часов был английский физик-экспериментатор Эссен Льюис (1908-1997) . В 1955 г. он создал первый атомный стандарт частоты (времени) на пучке атомов цезия. Как результат этой работы через 3 года (1958) возникла служба времени, основанная на атомном стандарте частоты.

В СССР свои идеи по созданию атомных часов выдвигал академик Николай Геннадьевич Басов.

Итак, атомные часы, один из точных типов часов - устройство для измерения времени, где в качестве маятника используются собственные колебания атомов или молекул. Стабильность атомных часов является наилучшей среди всех существующих типов часов, что является залогом высочайшей точности. Генератор атомных часов выдает в секунду более чем 32 768 импульса в отличие от обычных часов. Колебания атомов не зависят от температуры воздуха, вибраций, влажности и многих других внешних факторов.

В современном мире, когда без навигации просто не обойтись, атомные часы стали незаменимыми помощниками. Они способны определить местоположение космического корабля, спутника, баллистической ракеты, самолета, подводной лодки, автомобиля автоматически по спутниковой связи.

Таким образом, последние 50 лет атомные часы, а точнее цезиевые, считаются самыми точными. Они уже давно используются службами точного времени, а также временные сигналы транслируются некоторыми радиостанциями.

Устройство атомных часов включает в себя 3 части:

квантовый дискриминатор,

кварцевый осциллятор,

комплекс электроники.

Кварцевый осциллятор генерирует частоту (5 или 10 МГц). Осциллятор представляет собой RC-радиогенератор, у которого в качестве резонансного элемента используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла, где и происходит сравнение атомов, изменивших состояние (+) на (-) Для повышения стабильности его частота постоянно сравнивается с колебаниями квантового дискриминатора (атомов или молекул). При появлении разницы в колебаниях, электроника подстраивает частоту кварцевого осциллятора до нулевого уровня, тем самым повышая стабильность и точность часов до нужного уровня.

В современном мире атомные часы могут быть изготовлены в любой стране мира для использования их в повседневной жизни. Они весьма невелики по своим размерам и красивы. Размер последней новинки атомных часов не более спичечного коробка и их низкое энергопотребление - менее 1 Ватт. И это не предел, возможно, в будущем технический прогресс достигнет мобильных телефонов. А пока компактные атомные часы устанавливают лишь настратегические ракеты для повышения точности навигации во много раз.

Сегодня мужские и женские атомные часы на любой вкус и кошелек можно купить в Интернет магазинах.

В 2011 году самые маленькие в мире атомные часы создали специалисты компании Symmetricom и Национальной лаборатории Сандия. Эти часы, в 100 раз более компактные, чем предыдущие коммерчески доступные версии. По величине атомный хронометр — не больше спичечного коробка. Для работы ему достаточно мощности 100 мВт — это в 100 раз меньше по сравнению с предшественниками.

Уменьшить размер часов удалось, установив вместо пружин и шестеренок механизм, действующий по принципу определения частоты электромагнитных волн, излучаемых атомами цезия под действием лазерного луча ничтожной мощности.

Такие часы применяются в навигации, а также в работе шахтеров, водолазов, там, где необходимо точно синхронизировать время с коллегами на поверхности, а также службами точного времени, ведь ошибка атомных часов составляет менее 0,000001 доли секунды в сутки. Стоимость рекордно малых атомных часов Symmetricom составила около 1500 долларов.

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.

, Galileo) невозможны без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени , которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

Устройство часов

Часы состоят из нескольких частей:

квантовый дискриминатор,
комплекс электроники.

Национальные центры стандартов частоты

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты :

(ВНИИФТРИ), п. Менделеево Московской области;
(NIST), Боулдер (США , Колорадо);
Национальный институт передовой промышленной науки и технологии () (AIST), Токио (Япония);
Федеральное физико-техническое агентство (нем. ) (PTB), Брауншвейг (Германия);
Национальная лаборатория метрологии и испытаний (фр. ) (LNE), Париж (Франция).
Национальная физическая лаборатория Великобритании (NPL), Лондон , Великобритания .

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в .

Типы атомных часов

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы. Это: атомы кальция , рубидия , цезия , стронция , молекулы водорода , йода , метана , оксид осмия(VIII) и т. д. В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые оптические гребёнки (англ. ) - излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты. Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна , в котором происходит уширение спектра до одной октавы .

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста (англ. Jim Bergquist ) разработали часы, действующие на одном атоме . При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США . Погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия, основная идея которой - использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства) . В начале 2011 американская компания Symmetricom объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему. Часы работают на основе эффекта когерентного пленения населённости. Их стабильность - 5 · 10 -11 за час, масса - 35 г, потребляемая мощность - 115 мВт .

Примечания

Поставлен новый рекорд точности атомных часов (неопр.) . Membrana (5 февраля 2010). Проверено 4 марта 2011. Архивировано 9 февраля 2012 года.
Указанные частоты характерны именно для прецизионных кварцевых резонаторов, с самой высокой добротностью и стабильностью частоты, достижимой при использовании пьезоэффекта. Вообще же, кварцевые генераторы используются на частотах от единиц кГц до нескольких сотен МГц. (Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г. Кварцевые генераторы: Справочное пособие. - М. : Радио и связь, 1984. - С. 121, 122. - 232 с. - 27 000 экз. )
Н. Г. Басов , В. С. Летохов . Оптические стандарты частоты. // УФН. - 1968. - Т. 96 , № 12 .
National metrology laboratories (англ.) . NIST, 3 февраля 2011 г. (Проверено 14 июня 2011)
Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al. Single-Atom Optical Clock with High Accuracy (англ.) // Phys. Rev. Lett. . - American Physical Society, 4 июля 2006. - Vol. 97, no. 2 . -

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.