Атомные часы как выглядят: Атомные часы — самые точные, как они работают и зачем нужны

Атомные часы — Мастерок.жж.рф — LiveJournal

Родиной первых в мире карманных часов со встроенным атомным стандартом времени станет не Швейцария и даже не Япония. Идея их создания зародилась в самом сердце Великобритании у лондонской марки Hoptroff

Атомные или как их ещё называют «квантовые часы» — это устройство, которое измеряет время, используя для этого собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул. Ричард Хоптроф (Richard Hoptroff) решил, что современным джентльменам, которые проявляют интерес к сверхтехнологичным устройствам, пора бы сменить свои карманные механические часы на нечто более экстравагантное и неординарное, а также отвечающее современным урбанистическим тенденциям.

Так, публике были продемонстрированы элегантные по своему внешнему виду карманные атомные часы Hoptroff No. 10, которые могут удивить современное искушённое обилием гаджетов поколение не только своим ретро-стилем и фантастической точностью хода, но и сроком эксплуатации. По заявлению разработчиков, имея при себе эти часы, вы сможете оставаться самым пунктуальным человеком на протяжении не менее 5 млрд лет.

Что еще можно узнать о них интересного …

Фото 2.

Для всех тех, кто никогда не интересовался подобными часами, стоит вкратце рассказать принцип их действия. Внутри «атомного устройства» нет ничего, что напоминало бы классические механические часы. В Hoptroff No. 10 отсутствуют механические детали как таковые. Вместо этого карманные атомные часы оснащаются герметичной камерой, заполненной радиоактивным газообразным веществом, температура которого находится под контролем специальной печи. Точный отсчёт времени происходит следующим образом: лазеры возбуждают атомы химического элемента, являющегося своего рода «наполнителем» часов, а резонатор фиксирует и измеряет каждый атомный переход. Сегодня базовым элементом подобных устройств является цезий. Если вспомнить систему единиц СИ, то в ней значение секунды связно с количеством периодов электромагнитного излучения при переходе атомов цезия-133 с одного на другой энергетический уровень.

Фото 3.

Если в смартфонах сердцем устройства считается процессорный чип, то в Hoptroff No. 10 данную роль берёт на себя модуль-генератор эталонного времени. Его поставкой занимается фирма Symmetricom, а сам чип изначально был ориентирован на использование в военной отрасли — в беспилотных летательных аппаратах.

Атомные часы CSAC снабжены термостатом с регулированием температуры, внутри которого содержится камера с парами цезия. Под воздействием лазера на атомы цезия-133 начинается их переход из одного энергетического состояния в другое, для измерения которого используется СВЧ-резонатор. С 1967 года Международная система единиц (СИ) определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Исходя из этого, сложно себе представить более точные с технической точки зрения часы на цезиевой основе. Со временем, учитывая последние достижения в области измерения времени, точность новых оптических часов на базе иона алюминия, пульсирующего с частотой ультрафиолетового излучения (в 100 000 раз превышающей микроволновые частоты цезиевых часов), в сотни раз превысит точность атомных хронометров. Выражаясь доступным языком, погрешность хода новой карманной модели No.10 от Hoptroff составляет 0,0015 секунды в год, что в 2,4 миллиона раз превышает стандарты COSC.

Фото 4.

Функциональная сторона устройства также на грани фантастики. С его помощью можно узнать: время, дату, день недели, год, широту и долготу в разных величинах, давление, влажность, звездные часы и минуты, прогноз приливов и многие другие показатели. Часы поставляются в золотом исполнении, а для создания их корпуса из драгоценного металла планируется использовать трехмерную печать.

Ричард Хоптроф искреннее полагает, что именно данный вариант производства своего детища является наиболее предпочтительным. Чтобы немного изменить дизайнерскую составляющую конструкции, вовсе не нужно будет перестраивать производственную линию, а использовать для этого функциональную гибкость печатающего 3D-устройства. Правда, стоит отметить, что показанный прототип часов был изготовлен классическим способом.

Фото 5.

Время нынче стоит очень дорого, а карманные часы Hoptroff No. 10 — тому прямое подтверждение. По предварительной информации, первая партия атомных устройств составит 12 единиц, а что касается стоимости, то цена за 1 экземпляр будет составлять $78 000.

Фото 6.

По словам Ричарда Хоптроффа, управляющего директора марки, лондонская прописка Hoptroff сыграла ключевую роль в возникновении этой идеи. “В своих кварцевых механизмах мы используем высокоточную колебательную систему с сигналом GPS. Но в центре Лондона не так-то просто поймать этот самый сигнал. Однажды во время поездки в Гринвичскую обсерваторию я увидел там атомные часы Hewlett Packard и решил приобрести себе нечто подобное через Интернет. И не смог. Вместо этого мне на глаза попалась информация о чипе компании Symmetricon, и после трех дней раздумий я понял, что он прекрасно подойдет для карманных часов”.

Чип, о котором идет речь, представляет собой цезиевые атомные часы SA. 45s (CSAC), принадлежащие к первому поколению миниатюрных атомных часов для GPS-приемников, ранцевых радиостанций и беспилотных аппаратов. Несмотря на свои скромные габариты (40 мм х 34,75 мм), в наручные часы он все же вряд ли поместится. Поэтому Хоптрофф решил оснастить ими карманную модель довольно солидных размеров (82 мм в диаметре).

Помимо звания самых точных часов в мире, Hoptroff No 10 (десятый по счету механизм марки) претендует также на первый золотой корпус, изготовленный с использованием технологии 3D-печати. Хоптрофф пока не может с точностью сказать, сколько золота потребуется для изготовления корпуса (работа над первым прототипом завершилась, когда номер уже ушел в печать), но предполагает, что его стоимость составит “минимум несколько тысяч фунтов”. А учитывая весь тот объем научных исследований, потребовавшихся для разработки продукта (взять хотя бы функцию расчета приливов и отливов по гармоническим постоянным для 3 тыс. различных портов), можно ожидать, что его конечная розничная цена составит около 50 тыс. фунтов стерлингов.

Золотой корпус модели No 10 на выходе из 3D-принтера и в готовом виде 

Покупатели автоматически становятся членами эксклюзивного клуба и должны будут подписать письменное обязательство не использовать чип атомных часов как оружие. “Это одно из условий нашего договора с поставщиком, — объясняет г-н Хоптрофф, — поскольку изначально атомный чип применялся в системах наведения ракет”. Не так уж много за возможность получить часы с безупречной точностью.

Счастливые обладатели No.10 от Hoptroff получат в свое распоряжение гораздо больше, чем просто высокоточные часы. Модель также выполняет функцию карманного навигационного устройства, позволяющего определить долготу с точностью до одной морской мили даже после многолетнего пребывания в море при помощи простого секстанта. Модель получит два циферблата, однако дизайн одного из них пока держится в секрете. Другой же представляет собой круговерть счетчиков, отображающих целых 28 усложнений: от всех возможных хронометрических функций и указателей календаря до компаса, термометра, гигрометра (прибора для измерения уровня влажности), барометра, счетчиков широты и долготы и индикатора времени прилива/отлива. И это не говоря уже о жизненно важных индикаторах состояния атомного термостата.

У Hoptroff в планах производство ряда новых продуктов, в числе которых электронная версия легендарных усложненных часов Space Traveller Джорджа Дэниэлса. Сейчас над ними ведется работа, цель которой — интегрировать в часы технологию Bluetooth для сохранения личной информации владельца и обеспечения автоматической настройки таких усложнений, как индикатор фаз Луны.

Первые экземпляры No.10 появятся уже в следующем году, а пока компания занимается поиском подходящих партнеров среди ретейлеров. “Мы, конечно, могли бы попытаться продавать их через Интернет, но это модель премиум-класса, поэтому, чтобы по достоинству оценить эти часы, их все же нужно подержать в руках. А значит, нам все-таки придется воспользоваться услугами ретейлеров, и мы готовы начать переговоры”, — говорит в заключение г-н Хоптрофф.

Ричард Хоптрофф

[источники]

источники

http://www. 3dnews.ru/803836

Квантовые часы в каждый дом

http://www.hoptroff.com/products/no-10

http://www.europastarwatch.ru/magazine/features/3908-lab-hoptroff-the-world-s-most-accurate-watch.html

Давайте вспомним еще про Швейцарские часы в китайской гробнице и удивительные Часы — пропеллер. Вот еще наручные часы, показывающие точные движения планет, а вот 25 фантастических часов и Часы из дерева. Шутки ради когда то показывал вам Часы, рисованные на бумажках плюс Часы из человечков и даже Часы из голых человечков

Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия — http://infoglaz.ru/?p=87842

Tags: Техника

Энергетическое образование

2. Часы

Часы — прибор для определения текущего времени суток и измерения продолжительности временных интервалов в единицах, меньших, чем одни сутки.

По механизму измерения часы подназделяют:

• солнечные часы;
• огненные часы;
• песочные часы;
• механические часы;
• камертонные часы;
• кварцевые часы;
• астрономические часы;
• атомные часы;
• системные часы.

Солнечные часы – старинный прибор для измерения времени по Солнцу. Вероятно, это древнейший научный инструмент, дошедший до нас без изменений и представляющий первое применение человеком его знаний о движении небесных тел.

Хотя известны самые разнообразные солнечные часы, все их можно разделить на несколько основных типов. Наиболее распространены часы горизонтального типа; их можно увидеть во многих парках и садах. Часы с вертикальным циферблатом обычно встречаются на стенах, ориентированных по сторонам света. Повернутый циферблат делают у вертикальных часов, размещенных на стенах, которые не ориентированы по сторонам света. А отклоненный и склоненный циферблаты наклонены соответственно от наблюдателя и к нему. Обычно они встречаются на многосторонних часах, объединяющих в себе три или более циферблатов и часто имеющих форму куба; их размещают на крышах и гребнях стен, ориентированных по сторонам света. Повернуто-отклоненный и повернуто-склоненный циферблаты размещают на неориентированных по сторонам света зданиях. У экваториальных и полярных часов плоскости циферблатов параллельны соответственно плоскости экватора и полярной оси. Армиллярные часы имеют экваториальный циферблат; их часто используют для декоративных целей. Они содержат от двух до десяти колец, представляющих большие круги земной и небесной сфер. Часовые деления нанесены внутри экваториального круга, а отбрасывающим тень гномоном служит стержень, представляющий полярную ось.

Солнечные часы.

«Гномон» – общее название для отбрасывающего тень индикатора, а «указатель» – это тот край гномона, по которому ведется отсчет. Для точного измерения времени угол между указателем и горизонтальным циферблатом должен быть равен географической широте места. Примерно в начале христианской эры был открыт принцип наклонного гномона, позволившего ввести «равные часы», обеспечившие более точное хранение времени. Было обнаружено, что если стержень гномона направить на полюс мира, то он как бы станет осью той параллельной экватору окружности, по которой обращается Солнце. Разделив ее на 24 равные части, получили часы одинаковой длительности. После этого изготовление точных и равномерно идущих солнечных часов стало простым геометрическим и тригонометрическим занятием. Эволюция солнечных часов шла бок о бок с развитием математики и астрономии. Однако многие века искусством создания солнечных часов владели только мастера, знакомые с гномоникой. С 14-го по 18-е столетие многие ремесленники проявили изобретательность и мастерство в изготовлении карманных солнечных часов высокой точности, ставших жемчужинами часового искусства. Появление механических часов не упразднило вплоть до 18 в. использование солнечных часов для хранения времени. Изготовители солнечных часов шли в ногу с конструкторами механических часов, изобретая солнечные приборы для определения «среднего времени». Когда было введено «поясное время», солнечные часы приспособили и для этого. (Поясное время – это среднее солнечное время на определенном меридиане.) В конце 19-го и начале 20-го столетий было сделано много очень точных солнечных часов для определения поясного времени, названных гелиохронометрами.

Огненные часы — удобное и не требующее постоянного надзора устройство для измерения времени. Огненные часы, которыми пользовались рудокопы древнего мира, представляли собой глиняный сосуд с таким количеством масла, которого хватало на 10 часов горения светильника. С выгоранием масла в сосуде рудокоп заканчивал свою работу в шахте.

В Китае для огненных часов из специальных сортов дерева, растертого в порошок, вместе с благовониями приготовляли тесто, тесто которого делали палочки разной формы или (чаще) длинные, в несколько метров спирали. Такие палочки (спирали) могли гореть в течение необходимого времени, не нуждаясь в надзоре. Известны огненные часы, представляющие собой одновременно и будильник. Для таких часов, а они впервые появились в Китае, к спирали или палочкам в определенных местах подвешивались металлические шарики, которые при сгорании спирали (палочки) падали в фарфоровую вазу, производя громкий звон.

Огненные часы.

Европейский вариант огненных часов, которыми особенно часто пользовались в монастырях, представлял собой свечи, на которые наносили метки. Сгорание отрезка свечи между метками соответствовало определенному промежутку времени. Однако точность огненных часов была весьма низкой и во многом зависела от состояния окружающей среды — доступа свежего воздуха, ветра и других факторов.

Песочные часы использовались ещё древними греками и римлянами. Первые исторические ссылки на песочные часы появляются в III веке до нашей эры. История так же свидетельствует, что песочные часы использовались в Сенате Древнего Рима, во время выступлений и песочные часы становились всё меньше и меньше, возможно, в качестве показателя качества политических речей. В Европе первые песочные часы появились в восьмом веке. К началу XIV века песочные часы широко используются в Италии и к концу века во всей Европе. Принцип действия прост — две стеклянные колбы соединены узким горлышком, так что песок (с относительно однородным размером зерна) проходит от верхней колбы к нижней. Стеклянные ёмкости заключены в обрамляющий каркас, позволяющий легко переворачивать песочные часы, для того чтобы начать новый отсчёт времени. Песочные часы находят применение повсеместно, в частных домах на кухнях, в церквях для контроля длины проповеди, в лекционных залах университетов, в магазинах ремесленников. Медицинские работники используют миниатюрные песочные часы с длительностью пол или одной минуты, для отсчёта пульса и других медицинских процедур, практика применения таких часов продолжалась вплоть до 19 века.

Песочные часы.

Стекло для песочных часов выполнено из того же материала, что и все другие виды выдувного стекла. Песок является самым сложным компонентом песочных часов. Не все типы песка можно использовать, так как крупинки песка могут быть слишком угловаты и не смогут должным образом протекать через горловину песочных часов. Песок с солнечных пляжей выглядит заманчиво, но совершенно не подходит для часов, так как он слишком угловатый. Мраморная пыль, пыль других скальных пород, мелкие круглые песчинки как у речного песка лучше всего подходят для песочных часов. Возможно лучший песок, это вовсе не песок, а стеклянные крохотные шарики диаметром 40-160 мкм. Кроме того такие стеклянные гранулы можно сделать в различной цветовой гамме, что даёт возможность подобрать песочные часы под интерьер помещения где они будут располагаться.Тело песочных часов выдувается на стеклянно-токарном станке до размера, соответствующего размеру временного интервала песочных часов. Рамка часов предоставляет возможность для фантазии и может быть выполнена в настоящее время из многих материалов. Одно из самых больших заблуждений является то, что существует формула для определения количества песка, находящегося в часах. Количество песка в песочных часах не подлежит анализу или расчёту. Тип зёрен песка, шероховатость стекла, дизайн и форма отверстия накладывают слишком много переменных для определения скорости прохождения песка через горловину песочных часов, так что количество песка не может быть математически рассчитано. Процесс обстоит так, перед тем как песочные часы загерметизировать верхнюю колбу в неё добавляют песок и пропускают его через горловину песочных часов в количестве соответствующем предписанному интервалу времени. После завершения расчётного периода времени, песок, оставшийся в верхней части колбы высыпают и герметизируют колбу. На сегодняшний день песочные часы являются эстетическим украшением, а не точными часами.

Механические часы — часы, использующие маятник, который периодом колебаний измеряет время в течение суток, месяца, года, колебания которого приводится в движение гиревым, пружинным или электрическим источником энергии с электромеханическим преобразователем. В качестве меры времени используются инерционные свойства колебательной системы в виде классического и пружинного маятника, при регулировании длинного маятника или спиральной пружины в виде балансового регулятора (+/-).

Принцип работы механических часов. Любой механизм нуждается в источнике энергии, который будет приводить его в движение. В механических часах двигателем может являться поднятая гиря ( в часах с маятником), либо пружина ( в часах с балансом). Пружина выглядит как свернутая полоса стали. Она располагается в специальном барабане , который снаружи имеет зубья. Барабан одет на вал и может вращаться независимо от него. Пружина же одним концом закреплена к барабану, а другим к валу. Если вращать этот вал, то есть заводить часы , пружина будет закручиваться, а раскручиваясь, давать энергию всему механизму. Но если пружину завести и отпустить, то она моментально раскрутится. Нам же нужно, чтобы пружина раскручивалась в течении определенного периода. В этом нам поможет регулятор.

Представляет собой круглый обод с перекладиной посередине, в центр которой вставляется ось вращения. Внутри обода расположена, тонкая как волосок, скрученная пружина. Если обод крутануть в одну сторону, то пружина потянет его назад. Но обод не остановится на начальной точке, а провернется на такой же угол в противоположное направление, тем самым, опять создаст напряжение в пружине и провернется в обратном направлении. Регулятор вращается с определенной частотой, и используется для стабилизации хода часов. Но, так как, законы трения еще никто не отменял, регулятор через какое то время остановится. Поэтому переодически его нужно подталкивать с помощью энергии двигателя. Эту функцию выполняет спуск (ход).

Почти во всех современных часах используется анкерный спуск. Он выполняет две роли: передает энергию от двигателя к балансу , а также обеспечивает равномерное вращение механизма стрелок используя равномерную частоту вращения баланса. Спуск состоит из анкерной вилки, имеющей специальную форму и анкерное колесо с зубьями.

Анкерное колесо под действием заводной пружины вращается на один зуб, тем самым поворачивает вилку, которая противоположным концом толкает баланс и придает ему дополнительную «энергию от двигателя». Вилка одновременно со своим поворотом запирает анкерное колесо и пружина двигателя не может прокрутить его, а следовательно не может и сама раскрутиться.

Затем баланс, при движении в обратном направлении , толкает вилку, тем самым освобождает анкерное колесо и оно опять может проврнуться на один зуб, затем снова запрется вилкой.

Камертонные часы — электронно-механический прибор для определения временных интервалов, в которых в качестве регулятора колебаний используется миниатюрный камертон.

Камертон применяется как эталон частоты, поскольку давно известно, что он обладает стабильными по частоте колебаниями. К примеру, камертон применяют при настройке музыкальных инструментов. Самый простой камертон выглядит как вилка с двумя зубцами, имеющий небольшую рукоятку. При легком ударе ножки камертона начинают колебаться сближаясь и отдаляясь друг от друга. Частота колебаний ножек зависит от упругости материала и геометрической формы ножек. Именно способность к стабильным колебаниям камертона нашла применение в часовых механизмах. Обычно, в механических наручных часах применяют в качестве регулятора балансир. В камертонных часах роль регулятора выполняет миниатюрная камертонная вилка. Техническое решение этого прибора измерения времени воплотило в себе гибрид электроники и механики.

Электрическая схема камертонных часов не сложная. В упрощенном варианте состоит из транзистора, резистора и конденсатора. Питание часов осуществляется от небольшого гальванического элемента. На концах ножек миниатюрного камертона установлены магнитопроводы, их обычно изготавливают из электротехнической стали. В днищах магнитопроводов закреплены постоянные магниты. Сама вилка жестко крепится к платине. Также, на платине часов закреплен пластмассовый каркас с намотанными на нем двумя катушками — импульсной и катушкой возбуждения. Катушки соединяются последовательно. Частота колебания камертона составляет 360Гц.

Магниты с магнитопроводом на концах вилки перемещаются вдоль катушек (импульсной и возбуждения), в катушке возбуждения возникает ЭДС которая отпирает переход транзистора. Ток от гальванического элемента через коллекторно-эмитерный переход транзистора поступит на импульсную катушку, а поле катушки, в свою очередь, будет воздействовать на камертон, сообщая ему импульс, тем самым поддерживая колебания.

На одной из ножек камертона, закреплен толкатель, который передает колебательные движения камертона храповому механизму. Ходовое колесо храпового механизма находится в зацеплении с другими колесами, что и приводит в движение весь часовой механизм. От проворота храповик фиксируется пружиной.

Камертонные часы.

Камертонные часы имеют высокую точность хода, что является несомненным достоинством для прибора измерения времени. Но большим минусом, бесспорно, есть сложность в производстве. Задумайтесь, в часах Bulova Accutron храповое колесо в диаметре 2.4 миллиметра, толщиной 0.04 мм, а имеет 300 зубьев высотой около одна сотая миллиметра! Представьте сложность изготовления детали. Эта шестерня должна выдерживать большие нагрузки, связанные с высокой амплитудой колебаний камертона. Интересный факт: данное храповое колесо в течение года совершает 38 миллионов оборотов. Зубья подвержены сильному износу в связи с высокой нагрузкой на них. Обычно, этот узел и выходит из строя. Сам же камертон, практически, не подвержен износу и поломкам. Следует отметить, что камертонные часы имеют ряд особенностей: звук напоминающий комариный писк и плавное движение секундной стрелки.

Кварцевые часы — часы, в которых в качестве колебательной системы применяется кристалл кварца. Хотя электронные часы также являются кварцевыми, выражение «кварцевые часы» обычно применяется только к электромеханическим часам (электронным часам со стрелками).

Кварц – природный минерал, являющийся частью песка. Для использования в часах его очищают и придают форму камертона и помещают в специальную камеру (то есть вы не увидите камертон, если разберете свои часы). У кварца есть одно потрясающее свойство, при ударе тока он начинает вибрировать в постоянном ритме, который равен 32 768 вибраций в секунду. Также есть и обратное свойство, вибрируя, кварц выделяет собственные электрические разряды, которые и управляют ходом часов.

Батарейка снабжает энергией электронный блок, который посылает электрический импульс кристаллу кварца. От этого кварц начинает вибрировать с частотой равной 32 768 колебаний в секунду. Ни больше, ни меньше. Каждая вибрация равна импульсу, который посылается в распределительный блок. Тот разделяет частотность кристалла, уменьшая его до одного импульса в секунду. Таким образом, мы получаем импульс через равные промежутки времени, то есть каждую секунду. Так как импульс в одну секунду слишком слаб, чтобы повернуть стрелки, он увеличивается приводным блоком и передается пошаговому двигателю , отвечающему за движение стрелок. Электрические импульсы создают в двигателе магнитное поле, которое проворачивает специальный ротор, а тот, в свою очередь, передвигает секундную стрелку ровно на одну секунду через набор шестерен.

Атомные часы — прибор для измерения времени, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул.

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.

Атомные часы.

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.

Краткая история появления атомных приборов измерения времени. Стрелы времени: как устроены атомные часы

Научный мир облетела сенсация – из нашей Вселенной… испаряется время! Пока это только гипотеза испанских астрофизиков. Но то, что течение времени на Земле и в космосе отличается, учеными уже доказано. Время под воздействием гравитации течет медленнее, ускоряясь при удалении от планеты. Задачу синхронизировать земное и космическое время выполняют водородные стандарты частоты, которые еще называют «атомными часами».

Первое атомное время появилось вместе с возникновением космонавтики, атомные часы появились в середине 20-х годов. Сейчас атомные часы стали обыденной вещью, ими ежедневно пользуется каждый из нас: с их помощью работает цифровая связь, ГЛОНАС, навигация, транспорт.

Владельцы мобильных телефонов едва ли задумываются о том, какая сложная работа в космосе проводится для жёсткой синхронизации по времени, а ведь речь идёт всего лишь о миллионных долях секунды.

Эталон точного времени хранится в Подмосковье, в Научном институте физико-технических и радио-технических измерений. Всего таких часов в мире – 450.

Монополистами на атомные часы являются Россия и США, но в США часы работают на основе цезия – радиоактивного металла, очень вредного для экологии, а в России – на основе водорода – более безопасного долговечного материала.

У этих часов нет циферблата и стрелок: они похожи на большую бочку из редких и ценных металлов, наполненную самыми передовыми технологиями – высокоточными измерительными приборами и аппаратурой с атомными стандартами. Процесс их создания очень долгий, сложный и проходит в условиях абсолютной стерильности.

Уже 4 года часы, установленные на российском спутнике, изучают тёмную энергию. По человеческим стандартам они теряют точность на 1 секунду за много миллионов лет.

Очень скоро атомные часы установят на Спектр-М – космическую обсерваторию, которая увидит как формируются звёзды и экзопланеты, заглянет за краешек чёрной дыры в центре нашей Галактики. По мнению учёных, из-за чудовищной гравитации время течёт здесь настолько медленно, что почти останавливается.

tvroscosmos

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.

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
.

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

Вы когда-нибудь замечали, что ваши часы в доме показывают разное время? И как понять, какое из всех вариантов правильное? Ответы на все эти вопросы мы узнаем, досконально изучив принцип работы атомных часов.

Атомные часы: описание и принцип работы

Давайте сначала разберемся, что же собой представляет механизм атомных часов. Атомные часы — это такой прибор, с помощью которого происходит измерение времени, но в нем используют его собственные колебания, как периодичность процесса, а также все происходит на атомном и молекулярном уровне. Отсюда такая точность.

Можно с уверенностью утверждать, что атомные часы самые точные! Именно благодаря им в мире функционирует Internet, GPS-навигация, нам известно точное расположение планет в солнечной системе. Погрешность этого прибора настолько минимальна, что можно уверенно говорить, что они мировые! Благодаря атомным часам происходит вся мировая синхронизация, известно, где находятся те или иные изменения.

Кто изобрел, кто создал, а также кто придумал эти чудо-часы?

Еще в начале сороковых годов ХХ столетия было известно об атомном пучке магнитного резонанса. Сначала его применение никак не касалось часов — это была только теория. Но уже в 1945 году Исидор Раби предложил создать прибор, концепция которого состояла в том, чтобы они работалина основе вышеописанной техники. Но они были устроены так, что показывали не точные результаты. И вот уже в 1949 году National Bureau of Standards оповестило весь мир о создании первых атомных часов, в основу которых легли молекулярные соединения аммиака, а уже в 1952 году были освоены технологии для создания прототипа на основе атомов цезия.

Услышав об атомах аммиака и цезия, возникает вопрос, а не радиоактивны ли эти чудесные часы? Ответ однозначный — нет! В них отсутствует атомный распад.

В наше время есть множество материалов, из которых производят атомные часы. Например, это кремний, кварц, алюминий и даже серебро.

Как работает прибор?

Давайте же разберемся, как выглядят и как работают часы на атомнойэнергии. Для этого предлагаем описание их работы:

Для правильного функионирования именно этих часов необходим не маятник, а также не кварцевый генератор. Они используют сигналы, которые возникают вследствие квантового перехода одного электрона между двумя энергетическими уровнями атома. В результате мы имеем возможность наблюдать электромагнитную волну. Другими словами, мы получаем частые колебания и сверхвысокий уровень стабильности работы системы. Ежегодно за счет новых открытий происходят модернизации процессов. Не так давно специалистыThe NationalInstituteo fStandardsand Technology (NIST)стали рекордсменами, установив абсолютный мировой рекорд. Они смогли довести точность работы атомных часов (в основе был стронций) до самого минимального отклонения, а именно: за 15 млрд. леттам набегает одна секунда. Да-да, вам не показалось, именно такой возраст сейчас присваивается нашей с вами Вселенной. Это колоссальное открытие! Ведь именно стронций сыграл важнейшую роль в этом рекорде. Аналогом «тиканья» выступили перемещающиеся атомы стронция в его пространственной решетке, которую создали ученые при помощи лазера. Как и всегда в науке, на теории все кажется фееричным и уже усовершенствованным, но нестабильность такой системы может оказаться менее радостной на практике. Именно из-за своей нестабильности, мировую популярность получил прибор на цезии.

Теперь рассмотрим, из чего состоит такой прибор. Основными деталями здесь являются:

• квантовый дискриминатор;
• генератор из кварца;
• электроника.

Генератор из кварца — это подобие автогенератора, но для произведения резонансного элемента, в нем применяют пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла.

Имея квантовый дискриминатор и кварцевый осциллятор, под воздействием их частоты происходит их сравнение и при выявлении разницы, схема обратной связи требует от кварцевого генератора подстраиваться под требуемое значение и повышать стабильность и точность. В результате на выходе мы видим на циферблате точное значение, а значит, точное время.

Ранние модели имели довольно большие размеры, однако в октябре 2013 года компания «BathysHawaii«произвела фурор, выпустив миниатюрныеатомные наручные часы. Сначала все восприняли такое заявление как шутку, но вскоре выяснилось, что это действительно правда, и они функционируют на основе атомного источника Цезий 133. Безопасность прибора обеспечивается тем, что радиоактивный элемент содержится в виде газа в специальной капсуле. Фото этого прибора разлетелось по всему миру.

Многих в теме атомных часов интересует вопрос источника питания. В качестве батарейки используется литий-ионный аккумулятор. Но увы, пока неизвестно, на сколько хватит такого аккумулятора.

Часы компании «BathysHawaii» стали действительно первыми атомными наручными часами. Ранее уже были известны случаи выпуска относительно портативного прибора, но, к сожалению, он не имел атомного источника питания, а всего на всего выполнял синхронизацию с реальными габаритными часами по беспроводной радиосвязи. Стоит также упомянуть и о стоимости такого гаджета. Удовольствие было оценено в 12 тыс. долларов США. Было понятно, что с такой ценой часы не обретут широкой популярности, но компания к этому и не стремилась, ведь выпустила их очень ограниченной партией.

Нам известны несколько типов атомных часов. В их конструкции и принципах нет существенных отличий, но все же некоторые отличия все-таки есть. Так, основные заключаются в средствах нахождения изменений и их элементов. Можно выделить следующие типы часов:

1. Водородные. Их суть заключается в том, что идет поддержка атомов водорода на нужном уровне энергетики, а вот стены сделаны из специального материала. Исходя из этого, делаем вывод, что именно водородные атомы очень быстро теряют свое энергетическое состояние.
2. Цезиевые. Основой для них являются пучки цезия. Стоит отметить, что именно эти часы являются самыми точными.
3. Рубидиевые. Они являются самыми простыми и очень компактными.

Как уже говорилось ранее, атомные часы являются очень дорогостоящим гаджетом. Так, карманные часы Hoptroff № 10 — яркий представитель игрушки нового поколения. Цена такого стильного и очень точного аксессуара составляет 78 тыс. долларов. Было выпущено всего 12 экземпляров. В механизме этого прибора используется высокочастотная колебательная система, которая также оснащена GPS-сигналом.

На этом компания не остановилась и именно в своей десятой версии часов хочет применить метод помещения механизма в золотой корпус, который будет напечатан на популярном 3D-принтере. Точно еще не рассчитано, сколько золота будет использовано для такой версии корпуса, но зато уже известна предполагаемая розничная стоимость этого шедевра — она составила около 50 тыс. фунтов стерлингов. И это еще не окончательная цена, хотя в ней учтены все объемы исследований, а также новизна и уникальность самого гаджета.

Исторические факты об использовании часов

Как же рассказывая об атомных часах, не упомянуть о самых интересных фактах, которые связаны с ними и временем в целом:

1. Вы знали, что в древнем Египте были найдены самые старые солнечные часы?
2. Погрешность атомных часов минимальна — она составляет всего 1 секунду на 6 миллионов лет.
3. Все знают, что в минуте — 60 секунд. Но мало кто вникал в то, сколько же миллисекунд в одной секунде? А их не много и не мало — тысяча!
4. Каждый турист, который смог побывать в Лондоне, обязательно стремился увидеть своими глазами Биг Бен. Но к сожалению, не многие знают, что Биг Бен — совсем не башня, а название огромного колокола, который весит 13 тонн и звонит внутри башни.
5. Вы никогда не задумывались, почему стрелки наших с вами часов идут именно слева направо или как мы привыкли говорить «по часовой стрелке»? Этот факт напрямую связан с тем, как движется тень на солнечных часах.
6. Самые первые наручные часы были придуманы в недалеком 1812 году. Их изготовил основатель фирмы Breguet для Неополитанской королевы.
7. До Первой Мировой войны, наручные часы считались только женским аксессуаром, но вскоре из-за своего удобства, они были облюбованы и мужской частью населения.

Замедление времени было измерено в наименьшем масштабе.

На протяжении большей части истории человечества мы определяли время по положению Земли в космосе. Второй был подразделением земных суток, а позже и земного года: временной интервал определялся тем, где находилась Земля. Затем появились атомные часы.

Ученые исследовали атомы элемента цезия, где процесс, называемый сверхтонким переходом, излучает и поглощает микроволны, которые ученые смогли очень точно рассчитать с помощью вибрирующего кристалла кварца. Это лежит в основе того, как сегодня ученые измеряют время, и позволило им разработать более точное определение секунды в 19 веке.67. 

Это определение не претерпело существенных изменений за более чем полвека, равно как и время атомных часов, использованных для его создания. Эти часы не потеряли бы ни секунды с момента вымирания динозавров. Но есть более совершенные атомные часы, и они хороши не только для измерения времени — они также являются отличным физическим инструментом.

Теперь две разные группы создали часы, которые могут измерять тонкую физику внутри самих часов. Исследовательские группы опубликовали свои соответствующие результаты в двух разных статьях в журнале Nature 16 февраля. Эти новые часы могут измерять одно из предсказаний Альберта Эйнштейна — замедление времени из-за гравитации — в наименьшем масштабе.

Современные атомные часы, такие как эти, не используют ни цезий, ни кварц. Вместо этого их основой являются блинообразные структуры сверхохлажденных атомов стронция. Их операторы могут управлять атомами с помощью лазера, излучающего видимый свет. Следовательно, они называются «оптическими часами».

Одни такие оптические часы существуют в Университете Висконсин-Мэдисон. Эти часы содержат шесть стронциевых блинов — по сути, шесть меньших часов — в одной и той же конструкции. (В этом числе нет ничего уникального, они могут прибавлять больше или меньше. «Шесть несколько произвольно», — говорит Шимон Колковиц, физик из Висконсинского университета в Мэдисоне.)

Часы Мэдисона могут показывать время с точностью до одной секунды в течение 300 миллиардов лет, что более чем в 20 раз превышает возраст Вселенной. Это был бы мировой рекорд, но эти часы даже не самые мощные. Его превосходит другой мульти-час в JILA, совместный проект Национального института стандартов и технологий (NIST) и Колорадского университета в Боулдере.

[См.: Исследователи только что соединили три атомных часа, и это может изменить будущее хронометража]

Наличие нескольких «часов» в одном устройстве не обязательно полезно для хронометража. (Например, какие часы вы смотрите?) Но они позволяют вам сравнивать часы друг с другом. Поскольку эти часы очень, очень точны, они могут измерять очень точную физику. Например, группа из Боулдера могла протестировать замедление времени в одном устройстве.

«До сих пор это было чем-то вроде того, что вы находите, сравнивая отдельные часы на расстоянии», — говорит Тобиас Ботвелл, аспирант JILA и NIST.

Согласно теории относительности, время замедляется по мере того, как вы движетесь быстрее по мере приближения к скорости света. Гравитационные поля также могут вызвать такое же замедление: чем сильнее поле, тем больше замедление времени. Возьми Землю. Чем ближе вы находитесь к центру Земли, тем больше земная гравитация притягивает вас вниз и тем больше замедление времени вы испытываете.

На самом деле, вы ощущаете время медленнее, чем птицы над вашей головой, а то, что у вас под ногами, на самом деле ощущает время медленнее, чем вы. Ядро Земли фактически на 2,5 года моложе земной коры. Это может показаться большим, но по сравнению с историей нашей планеты, насчитывающей 4,6 миллиарда лет, это даже не капля в море времени. Тем не менее, ученые десятилетиями измеряли такого рода тонкие различия, используя все, от гамма-лучей до радиосигналов, Марса и даже атомных часов.

В 1971 году двое ученых взяли с собой атомные часы на борт коммерческих самолетов и облетели их вокруг света, по одному в каждом направлении. Они измерили тонкую разницу в несколько сотен наносекунд, что соответствует прогнозам. В 2020 году ученые использовали двое часов, одни на высоте 1480 футов над другими на Tokyo Skytree, и обнаружили разницу, которая снова подтвердила правильность Эйнштейна.

Эти эксперименты показывают, что теория относительности универсальна. «По сути, везде на Земле одно и то же», — говорит Александр Эппли, аспирант JILA и NIST. «Если вы можете измерить один сантиметр здесь, вы можете измерить один сантиметр где-то еще».

NIST уже перешел на сантиметровый уровень. В 2010 году ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) провели аналогичное измерение, используя разные часы, отстоящие друг от друга примерно на фут.

В одном из новых исследований два стронциевых блина в одном устройстве были разделены еще меньше: около миллиметра. После 90 часов сбора данных группа из Боулдера смогла различить тонкую разницу в освещении, сделав измерение в 50 раз более точным, чем любое другое.

Рекордом для их измерения раньше было наблюдение дилатации — разницы в частоте света — до 19десятичных знаков, говорит Ботвелл. «Теперь мы перешли к 21 цифре… Обычно, когда вы перемещаете один десятичный знак, вы волнуетесь. Но нам повезло оказаться в положении, когда мы могли играть за двоих».

Theise, по словам Колковица, являются «очень красивыми и захватывающими результатами».

Но Колковиц, который не участвовал в исследовании NIST, говорит, что часы NIST имеют один недостаток: их не так просто вынести из лаборатории. «У группы NIST лучший лазер в мире, и он не очень портативный», — говорит он.

Он считает, что работа двух групп дополняет друг друга. Часы в Боулдере могли измерять время и другие физические свойства с еще большей точностью. Между тем, он считает, что более мобильные часы, подобные тем, что в Мэдисоне, можно было бы использовать в ряде мест, в том числе в космосе для поиска темной материи или гравитационных волн.

Хотя доказать, что базовая физика работает так, как предполагали Эйнштейн и его друзья, довольно здорово, на самом деле для такого рода науки также существует немало реальных приложений. Навигация, например, могла бы выиграть от более точных часов; GPS должен корректировать замедление времени. А измерение силы замедления времени может позволить вам более точно измерить гравитационные поля, например, заглянуть под поверхность Земли.

«Вы можете посмотреть на шлейфы магмы под землей и, возможно, выяснить, когда может начаться извержение вулкана», — говорит Эппли. «Такие вещи.»

Исправление от 2 марта 2022 г. : В предыдущей версии этой истории говорилось, что ядро ​​Земли примерно на 2,5 года старше ее коры. На самом деле благодаря гравитационному замедлению времени ядро ​​моложе на 2,5 года.

Атомные часы совершенствуют космические модели создания и дизайна

Хотя один может быть побежден, двое могут защитить себя. Шнур из трех нитей быстро не порвется. — Екклесиаст 4:12

В этом библейском стихе подчеркивается, что шнур с тройным плетением или группа из трех человек обладают гораздо большей силой и эффективностью, чем шнур с одним плетением или одинокий человек. Физики обнаружили, что этот принцип трех применим и к атомным часам. Атомные часы работают за счет естественных колебаний атомов, и каждый атом «тикает» с разной скоростью. Эти часы позволили развить современные удобства, такие как сотовые телефоны, GPS и Интернет. Точность часов также имеет большое значение для изучения особенностей космического дизайна и разработки более подробных моделей творения космоса.

Оптические атомные часы
Атомные часы идут со скоростью (миллиарды раз в секунду), определяемой частотой света, испускаемого или поглощаемого при переходе атома из одного энергетического состояния в другое. Атомные часы, основанные на разных атомах, идут с разной скоростью. Оптические атомные часы — это атомные часы, работающие на оптической частоте. Появляется все больше экспериментальных свидетельств того, что оптические атомные часы обеспечивают более высокую точность, чем цезиевые атомные часы, которые в настоящее время являются стандартными устройствами для измерения времени в фундаментальной физике, глобальных навигационных спутниковых системах и многих других приложениях стандарта частоты.

Тремя лучшими в мире оптическими атомными часами являются часы со стронцием-87 в Объединенном институте лабораторной астрофизики (JILA) и часы из алюминия-27 и иттербия-171 в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), все в Боулдере. , Колорадо. Каждые из этих часов имеют измеренные частоты, которые оцениваются как правильные в пределах 2 частей на квинтиллион (2 части в 10 ¹⁸ ) или лучше. ¹  Эти часы отстают или отстают не более чем на 1 секунду за весь возраст Вселенной.

Потенциально оптические атомные часы в сто раз точнее лучших цезиевых атомных часов. Однако, прежде чем лучшие оптические атомные часы смогут заменить лучшие цезиевые атомные часы в качестве инструментов для измерения времени, физики должны сначала продемонстрировать воспроизводимость измерений времени оптическими атомными часами посредством серии сравнений часов.

Эксперимент по сравнению оптических атомных часов
Группа из 35 физиков из JILA и NIST, известная как Boulder Atomic Clock Optical Network (BACON), разработала эксперимент для сравнения временных измерений трех оптических атомных часов, находящихся в их распоряжении. . ²  Сравнение было особенно надежным, потому что эти три часа основаны на изотопах трех разных элементов, а это означает, что каждые из трех часов работают с разной скоростью.

Коллаборация BACON соединила свои оптические атомные часы (см. рисунок) двумя независимыми способами: 3,6-километровым оптоволоконным каналом и 1,5-километровым каналом в свободном пространстве, который посылал лазерные импульсы по воздуху между NIST и JILA. Оба способа подключения прошли успешно. Сравнение часов было достигнуто путем измерения отношения частот часов с использованием фемтосекундных частотных гребенок (1 фемтосекунда = одна квадриллионная секунды).

Рисунок: Оптические атомные часы стронция-87 в JILA 2 метода, 3 тактовых генератора) при измерении их отношения частот составили 5,9 x 10 ^-18  для часов из алюминия-27 и иттербия-171, 8,0 x 10 ^-18  для часов из алюминия-27 и стронция-87 и 6,8 х 10 ^-18  для часов со стронцием-87 и иттербием-171 (все крошечные числа). Эти измерения являются первыми зарегистрированными отношениями тактовой частоты с погрешностями ниже 1 x 10 ^-17 .

Научные приложения и философские выводы
Теперь, когда у физиков есть часы, более чем в десять раз превосходящие их по своим хронометрическим возможностям, мы можем ожидать научных достижений, в том числе тех, которые имеют широкие философские и теологические последствия.

Изменение климата
Некоторые усовершенствования обеспечат более точное и надежное определение темпов и мест изменения климата. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация Земли заставляет частоту атомных часов изменяться в зависимости от высоты часов. Разность высот между двумя оптическими атомными часами, подобными тем, которые используются в экспериментах NIST-JILA, может быть определена с точностью около 1 сантиметра. Таким образом, теперь можно однозначно и точно измерять даже незначительные изменения уровня моря и толщины ледяных щитов по всему миру.

Беспилотные транспортные средства
Те же самые оптические атомные часы можно использовать для значительного улучшения наших спутниковых навигационных систем глобального позиционирования (GPS). В настоящее время общедоступные системы GPS-навигации могут определить, по какой дороге или шоссе человек едет и где находится на дороге, с точностью до 10 метров. Применение оптических атомных часов, таких как в NIST и JILA, делает возможными системы GPS-навигации, которые могут отслеживать положение и движение автомобиля или мобильного телефона с точностью около 1 сантиметра. Такие системы будут знать не только, в какой полосе находится водитель, но и не дрейфует ли транспортное средство по этой полосе. Такие системы сделают возможным использование беспилотных транспортных средств и устранение дорожно-транспортных происшествий.

Космические особенности
Радиоастрономам есть, чего ожидать. С такими часами, как в NIST и JILA, они смогут использовать интерферометры радиотелескопов с длинной базой для измерения астрономических расстояний и создания карт галактик, черных дыр и других космических структур с беспрецедентной точностью. Возможно, они даже смогут исследовать физику квантовой гравитации.

Природа темной материи
Коллаборация BACON добилась немедленного научного прогресса в своих экспериментах. Они использовали соотношение частот часов для поиска признаков взаимодействия между обычной материей (протонами, нейтронами и электронами, которые сильно взаимодействуют с фотонами) и темной материей (частицами, которые не взаимодействуют или очень слабо взаимодействуют с фотонами). Если бы обычная материя (атомы) взаимодействовала с темной материей посредством электромагнитных сил, такие взаимодействия вызвали бы небольшие изменения в частотах оптических атомных часов. BACON Collaboration не обнаружил никаких изменений. При этом они установили верхний предел взаимодействия между обычной и темной материей, который был почти в десять раз ниже того, что физики определили ранее. Грядущие достижения в технологии оптических атомных часов потенциально могут раскрыть природу частиц темной материи и возможные дополнительные доказательства космического замысла.

Сотворение Вселенной
Философы и теологи могут предвидеть преимущества в дополнение к новым доказательствам космического замысла. Например, эти часы обеспечат более точную проверку общей теории относительности Эйнштейна, которая является основой для теорем, устанавливающих, что Вселенную создал Причинный агент за пределами пространства и времени. ³  Эти часы могут с еще большей точностью проверить библейские утверждения (см., например, Иеремия 33:25 и Римлянам 8:20–22) о том, что фундаментальные константы, управляющие законами физики, не меняются. ⁴  Благодаря технологическому прогрессу (измерения трех превосходных часов), достигнутому BACON Collaboration, мы все можем ожидать новых доказательств существования Бога, а также безошибочности и предсказательной силы Библии.

ENDNOTES

1. S. M. Brewer et al., « ²⁷ AL ⁺ Квантовые лагические часы с систематической неопределенностью ниже 10 ^-18 », Физические обзоры 123, NO. 3 (июль 2019 г.): там же. 033201, doi:10.1103/PhysRevLett.123.033201; Тобиас Ботвелл и др. , «Оптические решетчатые часы JILA SrI с погрешностью 2,0 x 10 ^-18 ” Метрология  56, № 6 (декабрь 2019 г.): там же. 065004, doi: 10.1088/1681-7575/ab4089; В. Ф. МакГрю и др., «Производительность атомных часов, обеспечивающая геодезию ниже уровня сантиметра», Nature  564 (6 декабря 2018 г.): 87–90, doi: 10.1038/s41586-018-0738-2.
2. Boulder Atomic Clock Optical Network (BACON) Collaboration, «Измерения отношения частот с 18-разрядной точностью с использованием сети оптических часов», Nature  591 (25 марта 2021 г.): 564–569, doi: 10.1038/s41586-021 -03253-4.
3. Кристиан Саннер и др., «Сравнение оптических часов для проверки симметрии Лоренца», Nature 567 (14 марта 2019 г.): 204–208, doi: 10.1038/s41586-019-0972-2; Масао Такамото и др., «Проверка общей теории относительности с помощью пары переносных часов на оптической решетке», Nature Photonics  14, выпуск 7 (июль 2020 г.): 411–415, doi: 10.1038/s41566-020-0619-8.
4. Р. М. Годун и др., «Отношение частот двух переходов оптических часов в ¹⁷¹ Yb ⁺ и ограничения на изменение во времени фундаментальных констант», Письма о физическом обзоре  113, №. 21 (21 ноября 2014 г.): там же. 210801, doi:10.1103/PhysRevLett.113.210801; Хью Росс, «Больше доказательств библейского утверждения о неизменности физики», Today’s New Reason to Believe , 22 июня 2020 г.

Квест по созданию первых атомных часов в арабском регионе

Новости и отчеты

15 июня 2018 г.

0 12 3 минуты чтения

Завершенные атомные часы в Японии (Фото: Hal Frain через Flickr Creative Commons License).

ТУНИС. Физик из Туниса хочет построить самые точные часы на африканском континенте. Для него измерение времени секундами недостаточно точно. Он хочет сократить время до наносекунды; это одна миллиардная обычной секунды.

Для этого ему нужны атомные часы, устройство, которое в 10 миллиардов раз точнее, чем наручные часы. В настоящее время их нет ни в Африке, ни в каком-либо арабском государстве.

«Атомные часы имеют очень практическое применение», — говорит физик Хайкель Джеласси, доцент Национального центра ядерной науки и технологий в Тунисе.

Системы GPS полагаются на атомные часы: каждый спутник должен согласовывать точное время с точностью до нескольких наносекунд, чтобы технология работала. Атомные часы также используются для калибровки сложных научных инструментов, таких как мощные телескопы, а также для синхронизации сетей, составляющих Интернет.

В атомных часах собственные колебания атома цезия заменяют роль маятника в традиционных часах.

Низкоэнергетические атомы цезия подвергаются излучению, переводящему некоторые из них в высокоэнергетическое состояние. Процент атомов, меняющих свое состояние, зависит от частоты излучения — чем она ближе к частоте собственных колебаний цезия, тем больше атомы изменят состояние. Цель состоит в том, чтобы настроить частоту излучения так, чтобы она идеально соответствовала колебаниям атомов цезия, а затем измерить ее.

Ровно 9 192 631 770 колебаний цезия равны одной секунде.

Всего несколько стран могут производить подобную «стандартную секунду», которая позволяет им следить за мировым временем, и явное большинство составляют развитые страны, такие как Великобритания и Соединенные Штаты, в так называемом «глобальном мире». к северу.»

«Отсутствие атомных часов в Африке — это плохо, потому что гравитация неодинакова во всем мире», — говорит Джеласси.

Это проблема, потому что на время влияет гравитация, а это означает, что время очень незначительно отличается в зависимости от географического положения. Этого недостаточно, чтобы быть заметным в повседневной жизни, но достаточно, чтобы его можно было измерить атомными часами.

Вот почему Джеласси хочет построить атомные часы в Африке. «Чем больше у нас атомных часов, тем выше их точность», — говорит он.

«Отчасти это связано с престижем, — признается он, — но мы также хотим получить данные с атомных часов в Африке, потому что они будут давать другие данные».

Хайкель Джеласси (Фото: Бенджамин Плакетт).

Джеласси научился конструировать и управлять некоторыми компонентами, необходимыми для создания атомных часов, во время обучения в докторантуре в Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité в Тулузе, которая является частью Национального центра научных исследований во Франции.

«Здесь он научился строить атомные часы, — говорит Маттиас Бюхнер, физик из Тулузского центра и бывший руководитель Джеласси. «Есть много общего в том, что он хочет делать в Тунисе, и в том, что он делал здесь».

Самые точные атомные часы в мире в настоящее время находятся в Национальном институте стандартов и технологий в США. Он настолько точен, что если бы часы начали отсчет во время Большого взрыва, сегодня они были бы ошибочны менее чем на одну секунду, хотя это рекорд, который редко держится долго, прежде чем другие часы в другом учреждении берут на себя инициативу, поскольку ученые постоянно занимаются все более совершенным хронометражем.

Элизабет Донли, физик из Национального института стандартов и технологий, говорит, что Тунис сможет внести свой вклад в международное атомное время, если Джеласси преуспеет в своем стремлении построить атомные часы.

«Мир соглашается на время, потому что страны с этими атомными часами постоянно сравнивают свои часы и получают среднее значение», — говорит Донли.

Джеласси говорит, что ему повезло с сотрудниками исследовательского центра во Франции, которые предоставили ему некоторые материалы, необходимые для создания атомных часов.

«Они предоставили некоторые компоненты, такие как насосы, электронные устройства, оптические элементы, такие как линзы и зеркала», — говорит Джеласси. «Они были щедры с нами».

В настоящее время он занимается приобретением, сборкой, тестированием и калибровкой этих деталей. «Построить атомные часы — это наука сама по себе, — говорит он.

Он надеется записать первый достаточно точный сигнал своих атомных часов к 2021 году.