Как работают атомные часы (5 фото). Самые точные часы в мире - квантовые

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.

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.

Это устройства для измерения времени, принцип работы которых основан на атомной физике. Благодаря свойствам химических элементов, используемых в конструкции, погрешность этих часов минимальна. Например, устройства на основе тория-229 отстанут на десятую долю секунды примерно за 14 миллиардов лет.

Как работают атомные часы

Если в кварцевых часах опорная частота для определения секунды - количество колебаний кристалла кварца, то в атомных за нее принимается частота переходов электронов в атомах определенных химических элементов с одного энергетического уровня на другой.

1 - Электронный компонент (чип)

2 - Атомный источник

3 - Фотодетектор

4 - Верхний нагреватель

5 - Резонансная ячейка

6 - Волновая пластинка

7 - Нижный нагреватель

8 - Вертикально-излучающий лазер

В чем суть: в атомах есть электроны. Они обладают энергией. При поглощении или отдаче энергии электроны скачком переходят с одного энергетического уровня на другой, поглощая или испуская электромагнитные волны, частота которых всегда одинакова. Этим явлением можно управлять: когда атом подвергают воздействию микроволнового излучения, он отзывается определенным количеством колебаний.

Это свойство используется для повышения точности измерений времени. Так, признано, что секунда - это продолжительность 9192631770 циклов излучения. Данная частота соответствует переходу между двумя энергетическими уровнями атома цезия-133. Сравнивая частоту колебаний кварцевого генератора с частотой переходов атомов элемента, фиксируются малейшие отклонения. При наличии отклонений, колебания кварца отстраиваются.

В атомных часах используется не только цезий. Появляются устройства на базе химических элементов, способных обеспечить еще большую точность хода: иттербий, торий-229, стронций.

Почему атомные часы точные

Частота колебаний химического элемента одинакова, и это сводит к минимуму возможность погрешности. Кроме того, в отличие от кварцевого кристалла, атомы не изнашиваются и не утрачивают свои химические свойства со временем.

Другие названия атомных часов: квантовые, молекулярные.

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.

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 .