Атомные часы время: TimeZone.Ru: Точное время |

Содержание

Атомные часы на Земле и в космосе

15 августа 2015
13:57

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». Первые атомные часы появились в середине XX века одновременно с космонавтикой. Сегодня их главные потребители – навигация и цифровая связь.

В космосе и на Земле время течёт по-разному. Как утверждают ученые, из-за гравитации. Чем она сильнее, тем медленнее будет идти время. Например, на МКС, которая вращается вокруг Земли на низкой орбите, время на доли секунды течет быстрее, чем на планете. Еще быстрее ход времени у спутников, работающих на высоких геостационарных орбитах.

«Изменение течения времени на станции мы не ощущаем. Потому что летаем мы не на больших высотах и не так далеко от Земли, всего лишь 400-420 километров. И, конечно, если эти изменения есть на какие-то миллисекунды, мы этого никогда не почувствуем», — рассказал космонавт-испытатель отряда космонавтов Роскосмоса Сергей Рязанский.

По теории относительности Вселенная расширяется с ускорением, которое ей придает таинственная «тёмная энергия». Точного определения этому загадочному явлению пока нет. Но есть мнение, что это связано с процессом замедления времени, которое мы воспринимаем как расширение Вселенной.

По словам ведущего научного сотрудника ГАИШ Сергея Попова, время течет по-разному в разных гравитационных полях. Чем ближе к центру Земли, тем больше величина гравитационного поля. Соответственно, на поверхности Солнца время течет не так, как на расстоянии 10 миллионов километров от его поверхности.

С помощью водородных стандартов частоты, которые еще называют «атомными часами», учёные изучают воздействие гравитации. Установленные на космических аппаратах они приводят земное и космическое время к единому знаменателю, то есть синхронизируют.

«Сейчас только у ленивого нет мобильного телефона, но никто не задумывается над тем, чтобы он работал, станции, которые образуют сеть, должны быть жестко синхронизированы по времени. Речь идет о миллионных долях секунды», — отметил начальник лаборатории системы эталонов ВНИИФТРИ Николай Кошеляевский.

Атомному времени столько же лет, сколько и космонавтике. Первые атомные часы появились в середине XX века. Сегодня его главные потребители – навигация и цифровая связь. Водородными стандартами частоты оснащены все спутники ГЛОНАСС. «Оно пронизало всю инфраструктуру, весь транспорт, все системы связи, синхронизации», — подчеркивает Кошеляевский.

Российский эталон точного времени «хранится» в Подмосковье. В научном институте физико-технических и радиотехнических измерений. В мире таких атомных часов 450. Они задают международный стандарт времени.

Сегодня в мире монополисты на точное время две страны – Россия и США. Но если в Америке атомные часы на основе цезия, радиоактивного металла, то в России – на основе водорода, элемента более безопасного и долговечного. Большая часть этих приборов рождается в Нижнем Новгороде. В год здесь выпускают до 20 атомных часов.

У них нет циферблата и стрелок. Этот прибор напоминает железную бочку с проводами. Внутри которой самые передовые технологии – высокоточная радиоизмерительная аппаратура с атомным стандартом. «Атом водорода получается в источнике водорода. Затем поступает молекулярный водород, подается высокочастотное поле и получается низкомолекулярная плазма. Где молекула водорода разваливается на два атома», — рассказал начальник отделения стандартов и эталонов частоты предприятия «Время Ч» Николай Демидов.

Сердце атомного стандарта – специальный источник, в котором хранится водород. Воздействуя на атомы водорода с помощью электромагнитного поля, получают сигнал. Это видно по ярко-малиновому свечению. Затем водород попадает в кварцевую колбу и излучает квант радиоволны.

Материалы, из которых сделаны атомные часы, включают десятки наименований: железо, серебро и кварц, алюминий и кремний. Такой набор не случаен: все материалы уникальны по природным свойствам и каждый играет свою роль. Совершенно удивительным свойством обладает никель. По словам начальника отделения предприятия «Время Ч», «если никелевую тоненькую пластинку нагреть, то, оказывается, сквозь нее прекрасно проходит водород. И никакие другие газы».

Все детали часов тщательно проверяют, ведь не каждый металл выдержит условия вакуума и космической радиации. Надежность приборов рассчитывают с помощью математических моделей.

Перед сборкой все детали атомных часов проходят многоступенчатую обработку. Сначала металл очищают от грязи, щелочи и жира. Для атомного стандарта высочайшие требования стерильности. Затем температурные испытания от минус 50 до плюс 50. Потом установленный на платформу прибор тестируют в условиях вакуума.

Несколько лет назад нижегородцы выполнили заказ Астрокосмического центра Академии наук. И теперь водородные стандарты частоты работают на спутнике «Спектр-Р2 с телескопом «Радиоастрон». Он уже четыре года изучает в режиме интерферометра «темную энергию» и материю Вселенной.

«Впервые активный стандарт частоты успешно работает в космосе на протяжении уже почти 4-х лет, собственно, благодаря тому, что мы запустили такие точные часы в космос, стабильность их находится на уровне 10-14 секунды или по-человечески они уходят на одну секунду за много миллионов лет», рассказал руководитель научной программы «Радиоастрон» Юрий Ковалёв.

Такой же прибор будет установлен и на аппарате Роскосмоса «Спектр-М» с российским космическим телескопом «Миллиметрон». Главное отличие от «Радиоастрона» – новая космическая обсерватория будет работать в другом диапазоне волн.

«Миллиметрон» увидит, как формируются звезды и экзопланеты. И самое главное – заглянет за краешек черной дыры в центре нашей галактики. Именно там, по мнению ученых, из-за чудовищной силы гравитации время почти останавливается.

общество
новости

Точное время сейчас с секундами онлайн в вашем городе

Онлайн-Часы

Оставайтесь с нами с worldinfotravel.com, точное время онлайн — это обеспечивает наиболее точное текущее время с точностью до секунды и миллисекунды в зависимости от местоположение пользователя.

Немного истории

Знание точного времени было довольно сложной задачей для наших предшественников. Люди использовали солнечные часы, песочные часы и другие изобретения, чтобы оставаться на связи с текущим временем. Однако древние устройства не смогли обеспечить требуемую точность, учитывая несколько минутных ошибок каждые 24 часа. Человечество жаждало чего-то более точного. Эта борьба привела к изобретению первых в истории механических часов в 725 году. Новое изобретение произвело переворот во времени с минимальными ошибками в диапазоне от +40 до -20 секунд каждые 24 часа.

В 1957 году дебютировали кварцевые часы, сочетающие в себе механические и электронные технологии. Первые в истории электронные часы имели механические стрелки, отличающиеся повышенной точностью с небольшими погрешностями всего ±15 в месяц;
Атомные часы оказались первым в истории стандартом для наиболее точного отсчета времени с нулевыми ошибками. Он был изобретен еще в 1955 году и используется до сих пор. Ключевым преимуществом атомных часов является близкая к нулю ошибка ~1 каждые 100 миллионов лет;
Оптические решетчатые часы могут похвастаться высочайшим уровнем стабильности и точности. Они в три раза точнее по сравнению с атомной версией. Ошибка сводится к минимуму до ~1 каждые 300 миллионов лет.

О проекте

Getdatetime.com направлена на обеспечение наиболее точного и стабильного времени благодаря постоянной синхронизации сайта с NTP-сервером. Платформа генерирует точные данные о времени с минимальной погрешностью всего ±0,001 за 24 часа.

Используя наш веб-сайт точного времени, у вас будет возможность сравнить различные часовые пояса со всего мира, а также узнать точное время из 8000 городов по всему миру, доступных на 2 языках.

Определите точное время не только в городах и странах, но и на континентах:

Местное время в Африке — 57 Стран;
Местное время в Антарктиде — 4 Страны;
Местное время в Азии — 51 Страна;
Местное время в Европе — 53 Страны;
Местное время в Северной Америке — 42 Страны;
Местное время в Австралии — 28 Стран и островов;
Местное время в Южной Америке — 14 Стран.

Помимо онлайн-часов, WorldInfoTravel предоставляет всю информацию о восход и закат солнца, восход и закат луны для вашего конкретного региона. Кроме того, вы можете воспользоваться подробными данными о световой день а также уведомления чтобы перевести часы на летнее время.

Что такое онлайн часы?

Часы онлайн – это виртуальные часы с секундами, которые демонстрируют пользователям интернета текущее время и дату. Их можно найти в интернете или на современных электронных устройствах. Обычно подобные часы показывают время онлайн не только в вашем часовом поясе. Если вы измените настройки, у вас получится узнать текущее точное время бесплатно онлайн по всему миру.

Как узнать, сколько сейчас времени

Чтобы воспользоваться виртуальными часами и понять, сколько сейчас времени, вам нужно приложить минимум усилий. Просто включите ПК или телефон, и взгляните на экран. Если у вас сбились часы и ничего не помогает, подключите интернет и вбейте в браузере следующий запрос: точное время сейчас онлайн в Москве. Вы можете выбрать любой город или страну. После введения запроса, вы сможете узнать точное время с секундами онлайн, показать эти данные другим. Однако лучше защитите себя от ошибки разработчиков и проверьте показатели на разных виртуальных площадках.

Если вы захотите вывести точное время на весь экран, вам придется зайти на сайт и нажать на надпись «Полноэкранный I» или «Полноэкранный II». В первом варианте будет выводиться минуты, часы и дата во весь экран, во втором – лишь время.

Большинство сайтов и ресурсов, которые отображают показатели времени, работают без перерывов и предоставляет так же доп. сведения: дату, часовой пояс, день недели, время суток, погодные условия, соседние населенные пункты, восход и заход солнца и так далее. Часы точного времени онлайн синхронизируются с виртуальным сервером, что гарантирует надежность данных.

История точного времени

Изначально не было никаких часов, компьютеров и интернета. Люди просто ориентировались на звезды, закат, восход и другие природные проявления. Потом, в результате эволюции, наши предки (египтяне) создали солнечные часы, измеряющие тень солнца. Но и этого им было мало, ведь по ночам, их жрецы занимались ритуалами, и они нуждались в более точном определении времени. Затем они изобрели водяные часы: крупную вазу с дыркой в дне, которая измеряла время по каплям. И это изобретение долгое время пользовалось спросом, никто не пытался придумать что-то более эффективное до 13 века.

В средневековой Европе, в 1300-х году, разработка механических часов решила проблему многих людей, т.к они обрели знания о точном времени. Первые устройства (с механической основой) отставали на пятнадцать минут, но благодаря разработке маятниковых часов в конце 16 века, ежедневная потеря времени составляла 10 секунд. В 18 веке, компания American Watch Co, выпустила первые пружинные компактные устройства для определения времени и занялась их массовом производством, благодаря чему, жить по определенному графику стало еще проще.

И вот, когда у каждого появились часы, люди задумались о том, какие часы лучше определяют время, кто и как их будет носить. В 19 веке были сотни вариаций местного времени, каждое из которых определялось с помощью крупных механизмов, которые были размещены в местных судебных инстанциях и городских залах. Эти устройства, специалисты настраивали по полуденному солнцу в каждом месте по отдельности. И если в Чикаго полдень, то в Сент-Луисе — 11:40, а в Детройте — 12:18.

Для развивающейся ж.-д. отрасли это стало серьезной проблемой: для составов необходимо было подготовить точные расписания. Железнодорожные станции настраивали часы по звездным обсерваториям Гарвардского колледжа. Чтобы решить проблему между местным и железнодорожным временем, в 1883 году организации, контролирующие движения поездов, поделили Америку на 4 временных пояса, и поставили жителей каждого района перед выбором: согласиться или отказаться от многих возможностей. В итоге, все синхронизировалось.

В 20 веке ученые создали часы, настроенные на колебания кристаллов и даже определенных атомов, благодаря чему появилась возможность определять время в довольно крошечных единицах. Поэтому люди имеют одно и то же время на часах и живут по установленному графику.

Про атомные часы

Атомные часы — устройство для определения времени, в котором в виде периодического процесса применяются свои колебания, связанные с процессами, которые происходят на уровне атомов и молекул.

Подобные приборы пользуются спросом в навигации. Определение местоположения звездолетов, космолетов, спутников, ракет, подводных суден, а еще передвижение машин в авторежиме по спутниковой связи невозможно без атомных часов. Такие устройства также нашли свое применение в наземной телекоммуникации.
Если вы хотите узнать точное атомное время онлайн, перейдите на сайт.

Про переход на летнее/зимнее время

14 июля 1917 года в РФ впервые был произведен переход с «зимнего» на «летнее» время. Фраза переход на «летнее» время — означает перевод часов вперед(прибавляется всего 1 час). Вводится летом для экономии электрической энергии правительствами некоторых стран.

Подобный переход на «летнее» время выгоден не для всех. В тропической местности продолжительность светового дня практически не обновляется. В полярных широтах есть разделение на полярный день и полярную ночь. Сроки действия «летнего» перевода стрелок часов во многих странах уменьшаются от севера к югу.

Выводы

Благодаря современным устройствам и интернету, каждый человек может узнать точное время с секундами онлайн. Сейчас, людям, не нужно ориентироваться на звезды и отслеживать движение солнца, пару движений руки и ты уже знаешь, когда тебе ложится, а когда вставать на работу. К сожалению, многие люди не осознают, насколько важны блага цивилизации, и насколько трудно было достичь точных показателей при определении времени.

Древним людям, наверное, и в голову не приходило, что каждый из нас сможет увидеть разницу между во времени между городами, странами и континентами всего за одну минуту благодаря современным гаджетам.

Почему онлайн-часы лучше механических и электронных

Сейчас время через интернет и экраны компьютеров можно узнать всего за одну минуту или даже меньше. С помощью виртуальных часов, вы можете измерять величины, следить за графиком сна, питанием, физ. нагрузками, ориентироваться в местности, постить фотографии каждый час и многое другое. Так или иначе, онлайн-часы незаменимы, т.к механические и электронные устройства часто выходят из строя и показывают время с погрешностями.
Плюс, далеко не все стандартные устройства — делиться информацией о других городах и странах.

У большинства сайтов в интернете (порталов, сервисов и т.д.) имеется настройка часового пояса для конкретного юзера. Изначально она доступна сразу после регистрации, но к ней можно обратиться в любую минуту. Зайдите в настройки и измените е часовой пояс — там будут показаны самые крупные населенные пункты, которые живут по этому времени.

Стоит ли доверять онлайн-часам

Это то же самое, что спросить у людей, можно ли доверять интернету.
Часам можно доверять, если вам нужно узнать время. Интернет и современные компьютеры автоматически правильно определяют секунды, минуты, часы и так далее. Все новые девайсы снабжены внутренними часами и элементами питания для поддержания их деятельности.

Именно поэтому даже перезагрузки ПК и отключения интернета, в системе остаются данные о времени, и вы всегда можете узнать который час. А интернет существует благодаря компьютерной технике, т. к, что онлайн-часы могут показать точное время онлайн без каких-либо погрешностей.

Международное атомное время (TAI)

Главная Часовые пояса TAI

Авторы: Константин Бикос и Энн Бакл местное время по всему миру. Он говорит нам, с какой скоростью должны тикать наши часы.

Атом цезия-133 определяет время.

TAI держит темп

Для определения всемирного координированного времени (UTC) используются два компонента:

Международное атомное время (TAI) — это шкала времени, которая использует объединенный вывод примерно 400 высокоточных атомных часов. Он обеспечивает точную скорость, с которой тикают наши часы.
Универсальное время (UT1) , также известное как астрономическое время, относится к вращению Земли. Он используется для сравнения темпа, предоставляемого TAI, с фактической продолжительностью суток на Земле.

Как измеряется TAI?

Международное атомное время — чрезвычайно точное средство измерения времени. Атомные часы отклоняются всего на 1 секунду за 100 миллионов лет.

Секрет этой безупречной точности заключается в правильном измерении секунды как базовой единицы современного измерения времени. Международная система единиц (СИ) определяет одну секунду как время, за которое атом цезия-133 в основном состоянии совершает ровно 9 192 631 770 колебаний.

Атомные часы предназначены для обнаружения этой частоты, большинство из них сегодня используют атомные фонтаны ; облако атомов, которое лазеры подбрасывают вверх в гравитационном поле Земли. Если бы можно было увидеть атомный фонтан, он бы напоминал водяной фонтан.

Если TAI такой точный, зачем использовать дополнительные секунды?

Для достижения максимально возможного уровня точности Международное бюро мер и весов объединяет данные около 400 атомных часов в 69 национальных лабораториях по всему миру для определения TAI. Шкала времени взвешена, приоритет отдается временному сигналу, предоставляемому учреждениями, поддерживающими высочайшее качество первичного цезия.

Зачем использовать UTC, а не TAI?

Высокая точность, достигнутая с помощью атомных часов, является одновременно и благословением, и проклятием. С одной стороны, точное хронометраж является необходимостью, например, для чувствительных ко времени технологий, таких как современные системы управления воздушным движением, которые полагаются на спутниковую навигацию.

С другой стороны, TAI не учитывает изменения скорости вращения Земли, которая определяет истинную продолжительность суток. По этой причине UTC постоянно сравнивается с UT1. Прежде чем разница между двумя шкалами достигает 0,9 секунды, к UTC добавляется дополнительная секунда.

В среднем за последние десятилетия Земля немного замедлилась, поэтому в настоящее время время UTC отстает от TAI на 37 секунд.

Темы: Хронометраж

Другие материалы на timeanddate.com

Летнее время (DST)

Почему во многих странах часы дважды в год переводятся на час вперед и назад?

Что такое стандартное время?

Стандартное время также известно как зимнее время или обычное время в некоторых странах.

UTC – всемирное координированное время

Сегодня всемирное координированное время (UTC) является основой для гражданского времени. Этот 24-часовой эталон времени поддерживается с помощью высокоточных атомных часов в сочетании с вращением Земли.

GMT или BST в Великобритании?

Великобритания не использует среднее время по Гринвичу (GMT) в течение всего года. Во время перехода на летнее время правильным часовым поясом является британское летнее время (BST).

Краткая история хронометража – Physics World

Взято из номера Physics World за ноябрь 2018 года. Члены Института физики могут ознакомиться с полным выпуском через приложение Physics World .

От втыкаемых в землю палочек до цезиевых атомных часов, люди тысячелетиями отслеживали время с возрастающей точностью. Хелен Марголис рассказывает о том, как мы пришли к нашему нынешнему определению секунды, и о том, куда движется технология часов

1 ноября 2018 года, когда эта статья была впервые опубликована в печатном издании Physics World , я работал в Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL) в Теддингтоне ровно 20 лет и шесть дней. Причина, по которой я это знаю, проста: я присоединился к организации 26 октября 1998 года и с помощью часов и календарей могу измерять прошедшее время. Но что люди делали до того, как появились часы? Как они измеряли время?

На протяжении тысячелетий было изобретено множество устройств для измерения времени, но их всех объединяет то, что они зависят от природных явлений с регулярными периодами колебаний. Хронометраж — это просто вопрос подсчета этих колебаний, чтобы отметить течение времени.

На протяжении большей части истории выбранным периодическим явлением было видимое движение Солнца и звезд по небу, вызванное вращением Земли вокруг своей оси. Один из самых ранних известных методов хронометража, насчитывающий тысячи лет, заключался в том, чтобы вертикально вонзить палку в землю и следить за ее движущейся тенью в течение дня. Этот метод превратился в солнечные часы или теневые часы с маркерами вдоль пути тени, делящими день на сегменты.

Однако солнечные часы бесполезны, если не светит Солнце. Вот почему были разработаны механические устройства, такие как водяные часы, часы со свечой и песочные часы. Затем, в 17 веке, были разработаны маятниковые часы, которые были гораздо более точными, чем любые предшествующие устройства для измерения времени. Период их колебаний (в низшем приближении) определялся ускорением свободного падения и длиной маятника. Поскольку этот период намного короче суточного вращения Земли, время можно разделить на гораздо меньшие интервалы, что позволит измерять секунды или даже доли секунды.

Тем не менее, вращение Земли по-прежнему было «основными часами», по которым регулярно калибровались и настраивались другие часы.

От кристалла к атому

По мере развития технологий возрастала потребность в тайминге с более высоким разрешением. Маятниковые часы постепенно уступили место кварцевым часам, первые из которых были построены в 1927 году Уорреном Маррисоном и Джозефом Хортоном в тогдашней телефонной лаборатории Белла в США. В этих устройствах электрический ток заставляет кристалл кварца резонировать на определенной частоте, которая намного выше, чем колебания маятника.

Частота таких часов менее чувствительна к возмущениям окружающей среды, чем у старых хронометров, что делает их более точными. Тем не менее, кварцевые часы основаны на механической вибрации, частота которой зависит от размера, формы и температуры кристалла. Нет двух абсолютно одинаковых кристаллов, поэтому их необходимо откалибровать по другому эталону — это был период вращения Земли, причем секунда определяется как 1/86 400-я часть среднего солнечного дня (см. вставку ниже).

Стандартизация времени

Солнечное время не везде одинаково. В Великобритании, например, Бирмингем отстает от Лондона на восемь минут, а Ливерпуль — на 12 минут. Хотя связь и время в пути между крупными населенными пунктами были медленными, это не имело большого значения. Но ситуация резко изменилась со строительством железных дорог в 19 веке. Разное местное время на каждой станции вызывало путаницу и, по мере расширения сети, все больше несчастных случаев и промахов. Требовалось единое стандартизированное время.

Великая Западная железная дорога проложила путь в 1840 году, и в последующие несколько лет «железнодорожное время» постепенно заняли другие железнодорожные компании. Расписания были стандартизированы по среднему времени по Гринвичу (GMT), и к 1855 году сигналы телеграфно передавались из Гринвича по британской железнодорожной сети. Однако только в 1880 году роль GMT как единого стандартного времени для всей страны была законодательно закреплена. Четыре года спустя на Международной конференции по меридианам, состоявшейся в Вашингтоне, округ Колумбия, США, GMT был принят в качестве эталона для часовых поясов по всему миру, а секунда была официально определена как доля (1/86 400) среднего солнечного дня.

Однако с этим определением секунды возникают проблемы. По мере совершенствования нашей способности измерять эту единицу времени стало ясно, что период вращения Земли непостоянен. Период не только постепенно замедляется из-за приливного трения, но также меняется в зависимости от сезона и, что еще хуже, колеблется непредсказуемым образом.

В 1955 году NPL произвела революцию в хронометрии, когда Луи Эссен и Джек Пэрри изготовили первый практичный цезиевый стандарт атомной частоты (см. вставку ниже). Их устройство не было настоящими часами, поскольку оно не работало непрерывно, а просто использовалось для калибровки частоты внешних кварцевых часов с интервалом в несколько дней. Тем не менее, изучая, как резонансная частота зависит от условий окружающей среды, Эссен и Парри убедительно показали, что переходы между дискретными уровнями энергии в хорошо изолированных атомах цезия могут обеспечить гораздо более стабильную привязку временных интервалов, чем любой стандарт, основанный на движении астрономических частиц. тела. Как позже писал Эссен: «Мы пригласили директора [НПЛ] прийти и стать свидетелями смерти астрономической секунды и рождения атомного времени».

Как работают атомные часы

В цезиевых атомных часах частота микроволнового источника тщательно регулируется до достижения резонансной частоты, соответствующей разности энергий между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атомов цезия: 9 192 631 770 Гц. . Атомы поглощают микроволновое излучение, и сигнал обратной связи, генерируемый из сигнала поглощения, используется для поддержания настройки источника микроволнового излучения на эту весьма специфическую частоту. Отображение времени создается путем электронного подсчета колебаний источника микроволн.

Оригинальные часы Луи Эссена в Национальной физической лаборатории Великобритании использовали тепловой луч атомов цезия и имели точность примерно в одну часть из 10 ¹⁰ . В настоящее время в первичных стандартах цезия используется устройство, известное как «атомный фонтан», в котором атомы, охлажденные лазером, выбрасываются вверх через микроволновый резонатор, а затем падают обратно под действием силы тяжести. Использование холодных атомов означает, что время взаимодействия может быть намного больше, чем в часах с тепловым лучом, что дает гораздо более высокое спектральное разрешение. При тщательной оценке систематических сдвигов частоты, возникающих из-за возмущений окружающей среды, лучшие сегодняшние цезиевые фонтаны достигли точности одна часть на 10 ¹⁶ , хотя для достижения этого уровня измерения должны быть усреднены за несколько дней. Они вносят свой вклад в качестве основных стандартов в Международное атомное время (TAI).

Но показать, что новый стандарт стабилен, было недостаточно, чтобы переопределить второй. Новое определение должно было согласовываться со старым в пределах технического предела неопределенности измерения. Поэтому Эссен и Парри приступили к измерению частоты своего цезиевого стандарта относительно астрономической шкалы времени, распространенной Королевской Гринвичской обсерваторией.

Тем временем астрономы перешли на использование эфемеридного времени, основанного на периоде обращения Земли вокруг Солнца. Их объяснение заключалось в том, что оно более стабильно, чем вращение Земли, но, к сожалению, для большинства практических целей измерения оно непрактично велико. Тем не менее Международный комитет мер и весов последовал их примеру и в 1956 году выбрал эфемеридную секунду в качестве базовой единицы времени в Международной системе единиц. Как выразился Эссен: «Даже научные организации могут принимать нелепые решения».

Смешно это или нет, но ему нужно было связать частоту цезия с эфемеридной секундой, задачу, которую он выполнил в сотрудничестве с Уильямом Марковицем из Военно-морской обсерватории США. Наконец, в 1967 году Генеральная конференция по мерам и весам решила, что пришло время переопределить секунду как «длительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». ».

Джек Пэрри и Луи Эссен разработали свой цезиевый стандарт частоты в 1955. (Предоставлено NPL)

Следующее поколение

Более компактные и менее дорогие, хотя и менее точные, версии цезиевых атомных часов также были разработаны, и приложения процветали. Возможно, мы не всегда это осознаем, но точное определение времени лежит в основе многих черт нашей повседневной жизни. Мобильные телефоны, финансовые операции, Интернет, электроэнергия и глобальные навигационные спутниковые системы зависят от стандартов времени и частоты.

Но хотя цезиевый переход оказался надежной основой для определения секунды, цезиевые атомные часы, возможно, сейчас достигают предела своей точности, и усовершенствования могут открыть новые области применения. В ответ на это появляется новое поколение атомных часов, основанное на оптических, а не микроволновых переходах. Эти новые часы получают повышенную точность за счет гораздо более высоких рабочих частот. При прочих равных условиях стабильность атомных часов пропорциональна их рабочей частоте и обратно пропорциональна ширине электронного перехода. Однако на практике стабильность также зависит от отношения сигнал/шум функции атомной абсорбции.

В оптических атомных часах сверхстабильный лазер привязан к спектрально узкому электронному переходу в оптической области спектра — так называемому «часовому переходу». Изучаемые сегодня оптические часы делятся на две категории: одни основаны на одиночных захваченных ионах, охлаждаемых лазером, а другие основаны на ансамблях атомов, охлаждаемых лазером, захваченных в оптической решетке.

Первый, одиночный лазерно-охлажденный ион в радиочастотной электромагнитной ловушке, приближается к спектроскопическому идеалу поглощающей частицы, покоящейся в среде без возмущений. При охлаждении его можно ограничить областью пространства с размерами меньше длины волны света часового лазера, что означает устранение доплеровского уширения характеристики поглощения.

Управляя его остаточным движением, чтобы убедиться, что он тесно связан с центром ловушки, другие систематические сдвиги частоты также могут быть значительно подавлены. Таким образом, этот тип часов имеет потенциал для очень высокой точности. Недостатком является то, что один ион дает сигнал поглощения с низким отношением сигнал/шум, что ограничивает достижимую стабильность часов.

Нейтральные атомы, с другой стороны, могут быть захвачены и охлаждены в больших количествах, что приводит к получению сигнала с гораздо лучшим отношением сигнал/шум. Стабильность, например, улучшается с увеличением квадратного корня из числа атомов, при прочих равных условиях. Теперь исследователи могут удерживать тысячи атомов, охлажденных лазером, в ловушке на оптической решетке — чаще всего это одномерный массив потенциальных ям, образованных пересекающимися лазерными лучами.

Можно было бы ожидать, что световые лучи, используемые для захвата атомов, изменят частоту часового перехода. Однако этого можно избежать, настроив лазер, используемый для создания решетки, на «магическую» длину волны, при которой верхний и нижний уровни часового перехода смещаются точно на одинаковую величину — решение, впервые предложенное в 2001 году Хидетоси Катори из Токийский университет в Японии.

Текущий рекорд стабильности оптических часов принадлежит группе Эндрю Ладлоу из Национального института стандартов и технологий США в Боулдере, штат Колорадо. Их часы на оптической решетке иттербия недавно продемонстрировали стабильность 1/10 ¹⁸ для времени усреднения в несколько тысяч секунд. Однако оптические часы с захваченными ионами также продемонстрировали стабильность намного ниже, чем у цезиевых атомных часов, и оба типа теперь достигли оцененных систематических погрешностей на уровне 10 ¹⁸. Это намного превосходит точность первичных эталонов цезия и поднимает очевидный вопрос: не пора ли еще раз пересмотреть определение секунды?

Ученые сегодня сосредоточены на оптических часах. (Предоставлено NPL)

Будущее времени

Частота выбранного оптического стандарта, конечно, должна быть точно определена с точки зрения частоты цезия, чтобы избежать каких-либо разрывов в определении. Но этого можно легко добиться, используя фемтосекундную гребенку оптических частот — лазерный источник, спектр которого представляет собой регулярно расположенную гребенку частот — для преодоления разрыва между оптическими и микроволновыми частотами. Одним из препятствий для переопределения является то, что неясно, какие оптические часы в конечном итоге будут лучшими. Каждая изучаемая система имеет свои преимущества и недостатки: некоторые из них обеспечивают более высокую достижимую стабильность, в то время как другие обладают высокой устойчивостью к возмущениям окружающей среды.

Еще одна задача состоит в том, чтобы экспериментально проверить расчетные систематические погрешности путем прямого сравнения оптических часов, разработанных независимо друг от друга в разных лабораториях. Здесь у исследователей в Европе есть преимущество, так как уже можно сравнивать оптические часы в Великобритании, Франции и Германии с необходимым уровнем точности, используя оптоволоконные линии связи. К сожалению, в настоящее время эти методы нельзя использовать в межконтинентальных масштабах, и необходимо найти альтернативные способы связи с оптическими часами в США и Японии.

Дистанционные эксперименты по сравнению часов также должны учитывать гравитационное красное смещение часовых частот. Для оптических часов с погрешностью в одну часть на 10 ¹⁸ это означает, что гравитационный потенциал в местах расположения часов должен быть известен с точностью, соответствующей примерно 1 см по высоте, что является значительным улучшением по сравнению с современным уровнем техники. Необходимо также учитывать приливные вариации гравитационного потенциала.

Хотя со временем все эти проблемы, вероятно, будут преодолены, для переопределения второго потребуется международный консенсус, и до этого еще далеко. До тех пор мировое сообщество метрологов времени и частоты согласилось с тем, что оптические атомные часы в принципе могут вносить вклад в международные шкалы времени как вторичные представления секунды.

Действительно, беспрецедентная точность оптических атомных часов уже приносит пользу фундаментальной физике. Например, были установлены улучшенные ограничения на изменение постоянной тонкой структуры (α ≈ 1/137) и отношения масс протонов к электронам в зависимости от времени суток путем сравнения частот различных часов за период в несколько лет.

Оптические часы также могут открывать совершенно новые области применения. Сравнивая частоту переносных оптических часов с фиксированными эталонными часами, мы сможем измерять разность гравитационных потенциалов между хорошо удаленными друг от друга местами с высокой чувствительностью, а также с высоким временным и пространственным разрешением. Такие измерения приведут к более согласованным определениям высоты над уровнем моря — в настоящее время разные страны измеряют относительно разных мареографов, а уровень моря не везде на Земле одинаков.