Содержание
Точность измерения частоты атомных часов увеличили в полтора раза
Физика
Физики смогли
Сложность
5.8
G. E. Marti et al./ Physical Review Letters, 2018
Американские физики повысили точность определения частоты атомных часов в полтора раза. Теперь она достигает 2,5×10−19, что соответствует накоплению ошибки в 1 секунду за несколько сотен миллиардов лет. Добиться этого удалось за счет одновременного измерения квантового состояния нескольких тысяч атомов стронция, составленных в упорядоченную трехмерную решетку.
Такая точность позволит использовать эти часы, например, для детектирования гравитационных волн, пишут ученые в Physical Review Letters.
Атомные часы — наиболее точный на данный момент инструмент для измерения времени. Он основан на определении частоты периодических электронных переходов между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах щелочных или щелочноземельных металлов. Стабильность работы атомных часов определяется отношением отклонения частоты от своего начального значения к самой частоте и для большинства атомных часов составляет около 10-15.
Максимально точные на сегодняшний день атомные часы представляют собой трехмерные решетки из атомов стронция, конфигурация которых зафиксирована с помощью лазерных ловушек, и неопределенность определения их точности составляет примерно 10-18. Эти измерения основаны на определении частоты перехода в отдельных атомах стронция, которые находятся в состоянии вырожденного Ферми-газа. При этом ученые считают, что если точность определения частоты электронных переходов можно дополнительно повысить за счет анализа связанных квантовых состояний всех атомов в решетке, то атомные часы могут значительно расширить область своих применений.
В частности, предполагается, что с помощью них можно будет измерить гравитационное красное смещение, и для этого будет достаточно лишь вакуумной камеры.
В своей новой работе та же группа ученых, которая создала самые точные стронциевые атомные часы, под руководством Юна Йе (Jun Ye) из Национального института стандартов и технологий США (NIST) разработала метод повышения точности измерения частоты энергетических переходов, определяя квантовое состояние атомов стронция в трехмерной решетке с рекордным пространственным разрешением. Предложенный физиками метод сочетает в себе оптическую спектроскопию и микроскопию высокого разрешения.
С помощью этого метода физики исследовали систему, состоящую из примерно 10 миллионов атомов стронция-87, охлажденных лазером до температуры 3 микрокельвина. Благодаря использованию оптических ловушек из той части атомов, которая находилась в нужном спиновом состоянии (их было около 10 тысяч), ученые выстроили упорядоченную трехмерную решетку, внешним магнитным полем ориентировали их спины, после чего лазерными импульсами перевели атомы в возбужденное состояние.
После этого с помощью метода спектроскопии поглощения в видимой области ученые построили карты распределения квантового состояния атомов в решетках атомных часов.
Пространственное разрешение метода составило 1,1 микрометра и позволило определить квантовое состояние каждого атома в трехмерной оптической решетке в каждый момент времени. Согласно данным измерений, время когеренции атомов в решетке в среднем составляет около 4 секунд, а в отдельных случаях может достигать и 15 секунд. При этом за счет того, что одновременно можно проанализировать тысячи атомов, которые находятся в когерентном состоянии, ученым удалось значительно повысить и точность определения частоты переходов, а именно она в такой системе определяет и стабильность работы атомных часов.
Физики провели около тысячи измерений в течение шести часов, по результатам которых вычислили неопределенность при измерении частоты атомных часов. Она составила 2,5×10−19, что примерно в полтора раза лучше предыдущего рекорда.
С учетом того, что частота самих часов составляет 429 терагерц, такая точность определения частоты соответствует абсолютной неопределенности в 100 микрогерц.
По утверждением авторов работы, полученные результаты могут использоваться для изучения фундаментальных эффектов квантовой физики и изучения явлений в системах из нескольких или многих тел. Возможными способами использования таких систем ученые называют детектирование гравитационных волн, а также исследование взаимосвязи квантовой механики и общей теории относительности на миллиметровом масштабе.
Поскольку атомные часы основаны на определении частоты периодических электронных переходов в атоме, то сделать из них механическую колебательную систему с наглядным способом измерения времени невозможно. Самые точные механические часы сделала недавно группа физиков из Австрии и Германии. Роль стрелок в них выполняют левитирующие кремниевые цилиндры. Точность таких часов примерно на 8 порядков меньше, чем атомных, тем не менее и для таких часов ошибка в одну секунду набежала бы при их непрерывной работе примерно за 11 тысяч лет.
Александр Дубов
зачем науке будущего нужно так точно измерять время
Елизавета
Приставка
Новостной редактор
Атомные часы — это сверхточные инструмент измерения времени, который сегодня имеет ничтожную погрешность в секунду на несколько миллиардов лет. Такой механизм не носят на руке, чтобы не опоздать на работу, а используют для того, чтобы вычислять огромные расстояния между планетами, при отображении глобальных карт и даже для того, чтобы измерить искажение пространства-времени. Подробнее о том, почему наука не может обойтись без атомных часов.
Читайте «Хайтек» в
Как атомные часы измеряют время
В конструкции атомных часов есть кварцевый кристалл: он сжимается и разжимается, именно этот процесс заставляет часы работать.
Этот процесс контролируют колебания внутри атома. Эти колебания — периодические переходы между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах.
Чтобы понять, как это работает, нужно вспомнить строение атома. В центре есть ядро, которое заряжено положительно: вокруг находятся заряженные отрицательно электроны, каждый на своей орбите. При этом каждый из них находится на конкретном энергетическом уровне, то есть имеет то или иное количество энергии за счет притяжения к ядру.
Этот уровень можно изменить, если послать электрону большее количество энергии, для этого можно, например, нагреть атом. Потом электрон снова вернется на свой уровень и отдаст излишки в виде излучения. Вот на этом излучении все и построено: оно имеет определенную частоту и напоминает маятник в часах.
Сегодня атомные часы могут работать на атомах рубидия, стронция, водорода: принцип от этого не меняется.
Конструкцию атомных часов постоянно улучшают, например, был изобретен механизм, который отстает на одну секунду раз в несколько сотен миллиардов лет.
Без атомных часов не будет навигации на Земле и в космосе
Атомные часы нужны в первую для навигации: ГЛОНАСС и GPS, так как эти системы определяют расстояние по времени, за которое сигнал проходит от точки на Земле до спутника и обратно. Часы используют для измерения расстояния между объектами исходя из замеров, сколько времени требуется сигналу для перемещения из точки A в точку Б.
В настоящее время для навигации, чтобы точно определить местоположение космического корабля, используются атомные часы на Земле размером с холодильник.
Может пройти больше часа, пока сигнал дойдет до космического корабля и вернется на Землю.
По этим данным вычисляются координаты и инструкции: их отправляют обратно на космический корабль.
Если на борту космического корабля будут собственные часы, то он сможет сам рассчитывать свою траекторию.
Это позволит путешествовать дальше и безопасно транспортировать людей на другие планеты.
Узнать расстояние между планетами с помощью атомных часов
Но основной заказчик атомных часов — астрономы. Они используют атомные часы, чтобы измерять огромные расстояния в космосе и определять, сколько нас отделяет от определенной планеты или астероида.
Для этого они посылают сигнал и фиксируют время его возвращения. Если погрешность будет хоть на секунду, то можно потерять примерно триста тысяч километров в точности.
Как атомные часы помогут найти темную материю
Темная материя может воздействовать на нашу обычную материю и у этого должны быть последствия. Одним из них может быть изменение постоянной тонкой структуры, одной из фундаментальных физических констант.
Постоянная тонкой структуры — это отношение скорости вращения электрона на первой орбитали к скорости света, и она равна примерно 0,007.
Ученые ранее считали, что эта константа всегда равна одной и той же величине, но, как показали недавние открытия она может незначительно меняться.
По одной из теорий, темная материя — это топологические дефекты пространства, возникшие во время Большого взрыва. Они могут повлиять на постоянную.
Ученые использовали несколько атомных часов, так как дефекты топологии должны действовать на отдаленные предметы в пространстве по-разному должны действовать на разные часы, разнесенные в пространстве.
Для того, чтобы повысить точность, авторы объединили часы для повышения точности в сеть из четырех устройств, каждое находилось в одной из стран: в Польше, США, Японии и Франции. Данные от всех устройств сводятся вместе, чтобы анализировать топологические эффекты.
Сверхточные атомные часы смогут измерить искажение пространства-времени
Ученые уверены, что достаточно точные атомные часы могут служить инструментом, измеряющим, как объекты за счет гравитации искажают окружающее пространство.
Физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере использовали лазеры и создали импровизированную ловушку для атомов: она выглядела как несколько очень маленьких чашек.
Тысячи атомов иттербия заполняют эти чашки, если воздействовать на них лазерным лучом правильной частоты,а электроны на орбите совершат переход на один энергетический уровень.
В такой системе электроны будут делать более квадриллиона переходов. Как только лазер настроен на «идеальную» частоту, начинается перевод информации из частоты лазерного излучения в сигнал, который может принять и расшифровать электронное устройство, то есть те самые часы.
Ученые смогли настроить лазер так, что теперь полученные данные помогут определить влияние гравитации на само пространство-время.
Атомные часы — это важный инструмент измерения такой эфемерной величины как время.
Без него не получится отследить малейшие изменения в земном времени или измерить расстояние до соседних планет и галактик.
А в будущем атомные часы станут незаменимы при колонизации планет и изучении темной материи.
Но вряд ли когда-нибудь они станут бытовым гаджетом.
Читать далее:
Земля резко начала вращаться быстрее: почему это происходит и есть ли опасность
Потомки выживших после возможного падения астероида животных все еще обитают на Земле
Физики охладили атомы до самой низкой в мире температуры
Квантовая запутанность двух атомных часов
Физика
09.09.2022
916 3 минут чтения
Оптические атомные часы являются наиболее точными инструментами для измерения времени и частоты. Они являются основой для поддержания международного атомного времени (TAI) и, соответственно, всемирного координированного времени (UTC).
Синхронизация двух таких часов позволяет исследовать пространственно-временные изменения фундаментальных констант, но этот манёвр не обладает достаточной точностью из-за помех, вызванных измерениями. Физики из Оксфордского университета нашли способ обойти эту трудность с помощью квантовой запутанности.
Точность атомных часов заключается в том, что они опираются на резонансную частоту атомов — частоту электромагнитного излучения, испускаемого электроном при переходе с одного энергетического уровня на другой, — которая по определению неизменна. Атомные колебания на самом деле являются самыми стабильными периодическими явлениями, которые могут наблюдать ученые. Их частота измеряется очень точно с помощью лазеров. Таким образом, секунда исторически определяется как точная длительность 9 192 631 770 колебаний перехода между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Еще более точные оптические атомные часы, разработанные в 2000-х годах, основаны на атомах, энергетические переходы которых происходят на оптических частотах (алюминий, стронций, ртуть и т.
д.). Вторые должны быть переопределены в соответствии с этими часами, когда они достигнут зрелости. Сначала необходимо продемонстрировать методы надежного и точного сравнения различных оптических часов по всему миру. Это особенно трудная задача, поскольку их измерение вызывает помехи. Поэтому исследователи поставили перед собой задачу соединить два оптических атомных часа таким образом, чтобы требовалось только одно измерение.
Погрешность измерений уменьшена в два раза
Напомним, что квантовая запутанность двух систем подразумевает, что любое изменение в одной из них мгновенно влияет на другую. Поэтому эта внутренняя связь, вероятно, облегчает синхронизацию часов. «Измерения независимых систем ограничены стандартным квантовым пределом; измерения запутанных систем могут превысить стандартный квантовый предел и достичь предельной точности, допускаемой квантовой теорией — предела Гейзенберга«, — объясняют исследователи в журнале Nature.
Локальные эксперименты по запутыванию на микроскопических расстояниях уже продемонстрировали, что такой подход позволяет уменьшить погрешности измерений и, таким образом, повысить точность оптических атомных часов.
В 2020 году ученые Массачусетского технологического института разработали часы, измеряющие колебания запутанных атомов (около 350 атомов иттербия). Первый лазер использовался для квантовой запутывания атомов, затем второй лазер использовался для измерения их средней частоты. Таким образом, они достигли той же точности, что и незапутанные атомные часы, но в четыре раза быстрее!
В новом эксперименте команда использовала не одни, а двое атомных часов, каждый из которых был сделан из одного иона стронция (88Sr+), расположенных на расстоянии двух метров друг от друга. Используя лазер, они возбудили ионы стронция так, что они излучали синий свет. Затем он был направлен по оптическому волокну в анализатор состояний Белла — состояний максимальной квантовой запутанности двух частиц, так что два иона были запутанными через фотонную связь.
Массив состоит из двух систем ионных ловушек, Алиса и Боб, разделенных 2 метрами, каждая из которых содержит один ион 88Sr+.
Для создания удаленной запутанности используется фотонная связь.
Поэтому измерение одних часов сразу давало доступ к измерению других. Для сравнения частоты между ионами исследователи сообщают о погрешности около 7% (по сравнению с 28% в случае, когда часы не запутаны). «Мы обнаружили, что запутанность уменьшает неопределенность измерений почти на √2, что является ожидаемым значением для предела Гейзенберга«, — пишут исследователи. Согласно законам квантовой физики, невозможно измерить частоту часов с идеальной точностью, но этот эксперимент показывает, что к этому можно приблизиться.
Чрезвычайная точность может помочь в решении многих загадок физики
Современные оптические часы, как правило, ограничены фазовым сдвигом зондирующего лазера. В этом эксперименте запутанность уменьшила погрешность измерений в 2 раза по сравнению с обычными методами корреляционной спектроскопии, отмечают исследователи.
«Эта сеть из двух узлов может быть расширена на другие узлы, на другие виды пойманных частиц или, посредством локальных операций, на более крупные запутанные системы«, — добавляют они.
В частности, они упоминают возможность выбора иона, переход которого имеет пониженную чувствительность к магнитному полю, более узкую ширину линии или повышенную чувствительность к фундаментальным константам. Кроме того, использование локальных операций для увеличения числа чередующихся ионов в каждом узле может еще больше уменьшить погрешность измерений для сравнения частот.
Если этот эксперимент удастся повторить с часами, расположенными дальше друг от друга, например, в двух разных лабораториях, или с большим количеством часов, это может внести реальный вклад в изучение темной материи или гравитационных волн. Фактически, смещение темной материи между двумя запутанными часами или небольшие изменения в силе гравитации немедленно вызовут разницу между частотами их тиканья.
Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram
Back to top button
Источники ошибок | NovAtel
Спутниковые часы
Атомные часы на спутниках GNSS очень точные, но они немного дрейфуют.
К сожалению, небольшая неточность спутниковых часов приводит к значительной ошибке в определении местоположения приемником. Например, погрешность часов в 10 наносекунд приводит к погрешности определения местоположения на 3 метра.
Часы на спутнике контролируются наземной системой управления GNSS и сравниваются с еще более точными часами, используемыми в наземной системе управления. В данных нисходящего канала спутник предоставляет пользователю оценку своего смещения часов. Как правило, точность оценки составляет около ±2 метра, хотя точность может варьироваться в зависимости от системы GNSS. Чтобы получить более точное положение, приемник GNSS должен компенсировать ошибку часов.
Одним из способов компенсации погрешности часов является загрузка точной информации о часах спутников от поставщика услуг пространственной системы дополнений (SBAS) или точного позиционирования (PPP). Точная информация о часах спутников содержит поправки на ошибки часов, рассчитанные системой SBAS или PPP.
Дополнительные сведения о SBAS и PPP см. в главе 5.
Другой способ компенсации погрешности часов — использование конфигурации приемника дифференциальной GNSS или кинематики реального времени (RTK). В главе 5 подробно обсуждаются дифференциальные GNSS и RTK.
Ошибки орбиты
Спутники GNSS перемещаются по очень точным, хорошо известным орбитам. Однако, как и спутниковые часы, орбиты немного различаются. Кроме того, как и в спутниковых часах, небольшое изменение орбиты приводит к значительной ошибке в вычислении положения.
Наземная система управления GNSS постоянно отслеживает орбиту спутника. При изменении орбиты спутника наземная система управления отправляет на спутники поправку, и эфемериды спутников обновляются. Даже с поправками от наземной системы управления GNSS все еще есть небольшие ошибки на орбите, которые могут привести к ошибке положения до ± 2,5 метра.
Одним из способов компенсации ошибок спутниковой орбиты является загрузка точной информации об эфемеридах из системы SBAS или поставщика услуг PPP.
SBAS и PPP более подробно обсуждаются в главе 5.
Другой способ компенсации ошибок спутниковой орбиты – использование дифференциальной конфигурации приемника GNSS или RTK. Дополнительные сведения о дифференциальных GNSS и RTK см. в главе 5.
Ионосферная задержка
Ионосфера – это слой атмосферы на высоте от 80 км до 600 км над землей. Этот слой содержит электрически заряженные частицы, называемые ионами. Эти ионы задерживают спутниковые сигналы и могут вызывать значительную погрешность определения местоположения спутника (обычно ±5 метров, но может быть больше в периоды высокой ионосферной активности).
Ионосферная задержка зависит от солнечной активности, времени года, сезона, времени суток и местоположения. Из-за этого очень сложно предсказать, насколько сильно ионосферная задержка влияет на расчетное положение.
Ионосферная задержка также зависит от радиочастоты сигнала, проходящего через ионосферу. Приемники GNSS, которые могут принимать более одного сигнала GNSS, например L1 и L2, могут использовать это в своих интересах.
Сравнивая измерения для L1 с измерениями для L2, приемник может определить величину ионосферной задержки и удалить эту ошибку из вычисленного положения.
Для приемников, которые могут отслеживать только одну частоту GNSS, модели ионосферы используются для уменьшения ошибок ионосферной задержки. Из-за различной природы ионосферной задержки модели не так эффективны, как использование нескольких частот для устранения ионосферной задержки.
Ионосферные условия очень похожи в пределах локальной области, поэтому базовая станция и подвижные приемники испытывают очень похожую задержку. Это позволяет дифференциальным системам GNSS и RTK компенсировать ионосферную задержку.
Тропосферная задержка
Тропосфера — это ближайший к поверхности Земли слой атмосферы.
Колебания тропосферной задержки вызваны изменением влажности, температуры и атмосферного давления в тропосфере.
Поскольку тропосферные условия очень похожи в пределах локальной зоны, базовая станция и мобильные приемники испытывают очень похожую тропосферную задержку.
Это позволяет дифференциальным системам GNSS и RTK компенсировать тропосферную задержку.
Приемники GNSS также могут использовать тропосферные модели для оценки количества ошибок, вызванных тропосферной задержкой.
Шум приемника
Шум приемника относится к ошибке определения местоположения, вызванной аппаратным и программным обеспечением приемника GNSS. Высококачественные приемники GNSS, как правило, имеют меньший уровень шума, чем более дешевые приемники GNSS.
Многолучевое распространение
Многолучевое распространение возникает, когда сигнал GNSS отражается от объекта, например стены здания, к антенне GNSS. Поскольку отраженный сигнал распространяется дальше, чтобы достичь антенны, отраженный сигнал достигает приемника с небольшой задержкой. Этот задержанный сигнал может привести к тому, что приемник вычислит неправильное местоположение.
Самый простой способ уменьшить ошибки многолучевости — разместить антенну GNSS в месте, удаленном от отражающей поверхности.
Если это невозможно, приемник и антенна GNSS должны работать с многолучевыми сигналами.
Многолучевые ошибки с большой задержкой обычно обрабатываются приемником GNSS, а ошибки многолучевого распространения с короткой задержкой обрабатываются антенной GNSS. Из-за дополнительной технологии, необходимой для работы с многолучевыми сигналами, приемники и антенны GNSS высокого класса, как правило, лучше подавляют ошибки многолучевости.
Заключительные замечания
В этой главе описаны источники ошибок , которые вызывают неточности в расчете местоположения. В главе 5 мы опишем методы, которые приемники GNSS используют для уменьшения этих ошибок и обеспечения более точного положения.
Хронометраж в NIST | NIST
Физик NIST Элизабет Донли с компактной конструкцией атомных часов, которая может помочь повысить точность ультрапортативных часов. Около 1 миллиона холодных атомов рубидия удерживаются в вакуумной камере в левом нижнем углу фотографии.
На экране крупный план области улавливания атомов аппарата.
Кредит:
фон Даустер/NIST
Говорят, Эйнштейн однажды сказал, что часы измеряют время. Некоторые говорят, что то, что мы воспринимаем как время, на самом деле является нашим опытом явления энтропии, второго закона термодинамики. Энтропия, в широком смысле, — это склонность вещей к дезорганизации. Горячий кофе всегда остается холодным. Он никогда не нагревается. Яйца не разбиваются сами по себе. Ваша комната становится грязной, и вам приходится тратить энергию на ее уборку, пока она снова не станет грязной.
Мы в NIST не беспокоимся ни об одном из этих философских представлений о времени. Для нас время — это интервал между двумя событиями. Это может быть восход и заход солнца, колебания маятника из стороны в сторону или возвратно-поступательные колебания маленького кусочка кварца. Для наиболее точного измерения секунды мы смотрим на резонансные частоты атомов.
Джеймс Клерк Максвелл, отец электромагнитной теории, был первым, кто предположил, что мы можем использовать частоты атомного излучения в качестве своего рода инвариантного природного маятника, но он говорил об этом в середине 19 века.
века, задолго до того, как мы смогли осуществлять какой-либо контроль над отдельными атомами. Нам пришлось бы ждать целое столетие, пока Гарольд Лайонс из NIST не построил первые в мире атомные часы.
Директор NIST Эдвард Кондон (слева) и изобретатель часов Гарольд Лайонс рассматривают молекулу аммиака, на основе которой были созданы часы.
Атомные часы Лайонса
, которые он и его команда представили в 1949 году, на самом деле были основаны на молекуле аммиака, но принцип, по сути, тот же. Внутри камеры газ из атомов или молекул влетает в устройство, излучающее микроволновое излучение с узким диапазоном частот. Когда излучатель достигает нужной частоты, он заставляет максимальное количество атомов изменить состояние, что позволяет ученым измерить продолжительность определенного количества циклов и определить секунду.
Часы Лайонса, хоть и были революционными, отражали время не лучше, чем астрономические наблюдения. Первые часы, в которых использовался цезий и которые были достаточно точными, чтобы их можно было использовать в качестве эталона времени, были построены коллегой NIST в Великобритании, Национальной физической лабораторией, в 1955 году.
2, был построен несколькими годами позже, в 1958 году, и вступил в строй в качестве официального эталона времени США 1 января 1960 года. Он имел погрешность в одну секунду каждые 3000 лет, а это означало, что он отображал время с точностью до 1/3000 секунды в год, довольно неплохо по сравнению со средними кварцевыми часами, которые могут прибавлять или терять секунду каждый месяц.
Атомная секунда, основанная на цезиевых часах, была определена в Международной системе единиц как продолжительность 9 192 631 770 циклов излучения в 1967 году. Она остается такой и по сей день.
Хотя определение осталось прежним, атомные часы точно не изменились. Атомные часы постоянно улучшались, становясь все более и более стабильными и точными, пока конструкция горячих часов не достигла своего пика с NIST-7, который не отставал и не отставал ни на одну секунду за 6 миллионов лет.
Почему мы говорим «горячие» часы? Это потому, что до 1990-х годов температура цезия внутри этих часов была немного выше комнатной.
При таких температурах атомы цезия движутся со скоростью около 130 метров в секунду, что довольно быстро. На самом деле так быстро, что было трудно их прочитать. У часов просто не было много времени, чтобы максимизировать свою флуоресценцию и получить более точный и стабильный сигнал. Что нам нужно было сделать, так это дать нашим детекторам больше времени для получения наилучшего сигнала за счет замедления атомов. Но как замедлить атом? С лазерным охлаждением, разумеется.
Но как лазеры могут охлаждать что-то? Разве лазеры не горячие? Ответ: это зависит. Наука о замедлении атомов с помощью лазеров была открыта Биллом Филлипсом и его коллегами, за что они разделили Нобелевскую премию по физике 1997 года. По сути, они использовали специально настроенный набор лазеров для бомбардировки атомов фотонами со всех сторон. Эти фотоны подобны шарикам для пинг-понга по сравнению с атомами, похожими на шары для боулинга, но если у вас их достаточно, они могут остановить движение атомов цезия, замедлив их со 130 метров в секунду до нескольких сантиметров в секунду, что даст у часов достаточно времени, чтобы хорошо прочитать их сигнал и значительно повысить точность и точность часов.
Первые часы, использующие эту новую технологию, NIST-F1, называемые фонтанными часами, были введены в эксплуатацию в 1999 году и первоначально предлагали трехкратное улучшение по сравнению со своими предшественниками, сохраняя время с точностью до 1/20 000 000 секунды в год. NIST продолжал улучшать конструкцию NIST-F1 и последующих фонтанных часов, пока точность не приблизилась к одной секунде каждые 100 000 000 лет.
В стронциевых атомных часах JILA/NIST несколько тысяч атомов стронция удерживаются в «оптической решетке», столбце размером 30 на 30 микрометров, состоящем примерно из 400 блинообразных областей, образованных интенсивным лазерным излучением.
Кредит:
Группа Ye и Брэд Бэксли, JILA
Не останавливаясь на достигнутом, NIST и его партнерские учреждения, включая JILA, также работают над серией экспериментальных часов, которые работают на оптических частотах с триллионами тактовых импульсов в секунду.
Точность одних из этих часов, стронциевых атомных часов, составляет 1/15 000 000 000 секунды в год. Это настолько точно, что не выиграло бы и не потеряло бы ни секунды, если бы часы начали идти на заре Вселенной.
Но зачем нам такие точные часы? Одна вещь, которая не существовала бы без такого точного времени, — это глобальная система позиционирования или GPS. Каждый спутник в сети GPS имеет на борту атомные часы, которые передают сигналы пользователям внизу об их местоположении и времени, когда они отправили сигнал. Измеряя количество времени, которое требуется для того, чтобы сигнал дошел до вас с четырех разных спутников, приемник в вашем автомобиле или в вашем телефоне может определить, где вы находитесь, с точностью до нескольких метров или меньше.
Такое точное время также используется для отметки времени финансовых транзакций, чтобы мы точно знали, когда происходят сделки, что может означать разницу между получением состояния и разорением. Точное время также необходимо для синхронизации сигналов связи, чтобы, например, ваш звонок не терялся, когда вы путешествуете между вышками сотовой связи.
А поскольку изобретаются новые, еще более точные часы, мы уверены, что мы найдем им применение. А пока вам придется довольствоваться знанием того, где вы находитесь в любой точке Земли в любой момент времени, разговаривая по мобильному телефону по дороге на встречу. Даже если вы опоздаете на несколько миллионных долей секунды, мы не будем вас беспокоить.
*Отредактировано 12.05.2022
Передовые средства связи, электроника, метрология и физика
Почему мои атомные часы неверны? — Возможные причины
по
Содержание
Атомные часы известны своей невероятной точностью времени. Если вы купили новые атомные часы, которые не показывают правильное время, вам не о чем беспокоиться. В этой статье мы рассмотрим все причины этой проблемы.
Мы перечислили их в определенном порядке, начиная с самых распространенных.
Задержка синхронизации
Первой причиной неправильного отображения времени на ваших атомных часах может быть задержка синхронизации. Это более вероятно в случае с новыми часами.
Атомные часы не работают как обычные часы, которые должны постоянно корректировать время. Им нужно некоторое время, чтобы приспособиться к радиочастотам определенного места.
Так что придется запастись терпением. Может пройти неделя, прежде чем ваши атомные часы синхронизируются с радиочастотой и покажут точное время.
Конфликты часовых поясов
Это одна из наиболее распространенных причин неправильного отображения времени на атомных часах. Не все часы Atomic имеют функцию отображения нескольких часовых поясов.
Ваши атомные часы могут быть изготовлены или приспособлены для определенного часового пояса, в котором вы сейчас не находитесь. Кроме того, возможно, вы путешествовали за пределами часового пояса, и ваши атомные часы могли не синхронизироваться с местной радиочастотой.
Вы можете быстро проверить, есть ли конфликт часовых поясов, который вызывает неправильное отображение времени на ваших атомарных часах. Это можно сделать, убедившись, что отображаемое время опережает или опережает время на один час.
В этом случае вам, как правило, придется немного подождать, так как часы автоматически синхронизируются с точным временем вашего местоположения.
Летнее время Проблема
Функция перехода на летнее время (DST) может изменить исходное время на атомных часах. В этом случае могут возникнуть две ситуации:
- Не во всех часовых поясах действует летнее время. В ваших атомных часах эта функция может быть включена в таком часовом поясе. Это приведет к отображению неправильного времени. Вам придется отключить функцию перехода на летнее время на ваших часах. Затем вам придется подождать, пока он синхронизируется с местным часовым поясом
- Вы находитесь в часовом поясе, поддерживающем переход на летнее время, но ваши часы не имеют функции автоматической настройки на него.
В этом случае вам придется выбрать другой часовой пояс вручную
В этом случае вам придется выбрать другой часовой пояс вручнуюОтказ батареи
Атомные часы работают, получая электромагнитные частоты и генерируя заряд в атомных частицах. Если батарейка атомных часов разряжена, они не смогут нормально функционировать.
Эффективность и оперативность часов будут потеряны, так как ни приемник, ни интерпретатор не будут работать на оптимальном уровне.
В таком случае ваши атомные часы будут медленно отклоняться от точного времени. Сначала вы можете не заметить разницу, но постепенно она будет увеличиваться до такой степени, что станет очень заметной. Единственным решением этой проблемы является простая замена батареи.
Электромагнитные помехи
Если вы живете в районе с интенсивным присутствием электромагнитных волн, ваши атомные часы могут работать не с максимальной эффективностью.
Время, которое они показывают, не будет таким точным, как должно быть в обычных атомных часах.
Это связано с электромагнитными помехами, которые затрудняют прием радиоволн приемником.
К сожалению, это может быть постоянной проблемой, поскольку мы окружены множеством устройств, которые отправляют и принимают электромагнитные волны.
Однако вы можете решить эту проблему, если поставите часы рядом с открытым окном. Вы должны держать часы подальше от других устройств, таких как маршрутизаторы WIFI, ноутбуки или телевизоры. Вы также можете инвестировать в атомные часы с лучшим рецептором.
Потеря радиосинхронизации
Вы, наверное, поняли важность рецептора внутри атомных часов. Высококачественные рецепторы приведут к отображению очень точного времени.
Также при полном износе приемника будет потеря радиосинхронизации. В этом случае ваши атомные часы будут отклоняться от точного времени.
Механическая неисправность
Как и все другие механические и электрические устройства, эти часы также имеют срок службы.