Атомный эталон времени: Атомный эталон времени презентация, доклад

Атомный эталон времени презентация, доклад

Атомный эталон времени

Презентацию подготовила
Свидригайлова Нина,
Ученица 11 класса.

Когда изобрели атомные часы?

В 1945 году профессор физики Колумбийского университета Исидор Раби предложил часы, которые можно сделать на основе техники, разработанной в 1930-х годах. Она называлась атомный пучок магнитного резонанса. К 1949 году Национальное бюро стандартов объявило о создании первых в мире атомных часов на основе молекулы аммиака, колебания которой и считывались, а к 1952 году — создала первые в мире атомные часы на основе атомов цезия, NBS-1.

В 1955 году Национальная физическая лаборатория в Англии построила первые часы на основе пучка цезия в качестве источника калибровки. В течение следующего десятилетия создавались более совершенные часы. В 1967 году в ходе 13 Генеральной конференции по мерам и весам была определена СИ секунды на основе вибраций в атоме цезия. В мировой системе хронометража не было точнее определения, чем это. NBS-4, самые стабильные в мире цезиевые часы, были завершены в 1968 году и использовались до 1990 года.
В 1999 году NBS, переименованная в NIST, начала работать с часами NIST-F1, точность которых допускала погрешность на одну секунду в 20 миллионов лет.

Какие типы атомных часов мы знаем?

Сегодня существуют различные типы атомных часов, однако построены они на одних и тех же принципах. Основное различие связано с элементом и средствами обнаружения изменений уровня энергии. Среди разных типов атомных часов существуют следующие:

► Цезиевые атомные часы, использующие пучки атомов цезия. Часы разделяют атомы цезия с разными энергетическими уровнями магнитным полем.

► Водородные атомные часы поддерживают атомы водорода на нужном энергетическом уровне в контейнере, стены которого сделаны из специального материала, поэтому атомы не теряют высокоэнергетическое состояние слишком быстро.

► Рубидиевые атомные часы, самые простые и компактные из всех, используют стеклянную ячейку с рубидиевыми газом.

Самые точные атомные часы сегодняшнего дня используют атом цезия и обычное магнитное поле с детекторами. Кроме того, атомы цезия сдерживаются лазерными лучами, что уменьшает небольшие изменения частоты из-за эффекта Доплера.

Как работают атомные часы на основе цезия?

У атомов есть характерная частота колебаний. Знакомый вам пример частоты — это оранжевое свечение натрия в поваренной соли, если ее бросить в огонь. У атома есть много разных частот, некоторые в радиодиапазоне, некоторые в диапазоне видимого спектра, а некоторые между этими двумя. Цезий-133 чаще всего выбирают для атомных часов.
Чтобы вызвать резонанс атомов цезия в атомных часах, нужно точно измерить один из переходов или резонансную частоту. Обычно это делается путем блокировки кварцевого генератора в основном микроволновом резонансе атома цезия. Этот сигнал находится в микроволновом диапазоне радиочастотного спектра и обладает той же частотой, что и сигналы спутников прямого вещания. Инженеры знают, как создать оборудование для этой области спектра, в мельчайших подробностях.

Чтобы создать часы, цезий сначала нагревают так, что атомы выпариваются и проходят через трубу с высоким вакуумом. Сначала они проходят через магнитное поле, которое выбирает атомы с нужным энергетическим состоянием; потом они проходят через интенсивное микроволновое поле. Частота микроволновой энергии скачет туда-сюда в узком диапазоне частот, так что в определенный момент она достигает частоты 9 192 631 770 герц (Гц, или циклов в секунду). Диапазон микроволнового генератора уже близок к этой частоте, поскольку ее производит точный кварцевый генератор. Когда атом цезия получает микроволновую энергию нужной частоты, он меняет свое энергетическое состояние.
В конце трубки другое магнитное поле отделяет атомы, которые изменили свое энергетическое состояние, если микроволновое поле было нужной частоты. Детектор в конце трубки дает выходной сигнал, пропорциональный количеству атомов цезия, которые в него попадают, и достигает пика, когда микроволновая частота достаточно верна. Этот пиковый сигнал нужен для корректировки, чтобы привести кварцевый генератор, а значит и микроволновое поле к нужной частоте. Эта заблокированная частота затем делится на 9 192 631 770, чтобы дать знакомый всем один импульс в секунду, нужный реальному миру.

Радиоактивны ли атомные часы?

Атомные часы показывают время лучше любых других часов. Они показывают время лучше, чем вращение Земли и движение звезд. Без атомных часов GPS-навигация была бы невозможной, Интернет не был бы синхронизирован, а положение планет не было бы известно с достаточной точностью для космических зондов и аппаратов.
Атомные часы не радиоактивны. Они не полагаются на атомный распад. Более того, у них есть пружина, как и у обычных часов. Самое большое отличие стандартных часов от атомных в том, что колебания в атомных часах происходят в ядре атома между окружающими его электронами. Эти колебания сложно назвать параллелью балансовому колесику в заводных часах, однако оба типа колебания можно использовать для отслеживания уходящего времени. Частота колебаний внутри атома определяется массой ядра, гравитацией и электростатической «пружиной» между положительным зарядом ядра и облаком электронов вокруг него.

Скачать презентацию

новый тип сверхточных атомных часов / Хабр

Поиски идеала это бесконечный поход по пустыне. Мы идем по бескрайнему морю песка, пересекая бархан за барханом, пока палящее солнце медленно, но верно отбирает у нас последние запасы воли и надежды. И вот на горизонте мы видим нечто прекрасное, нечто, что мы так надеялись найти. Но пустыня обманчива и коварна, а образ, увиденный нами, всего лишь мираж. И мы продолжаем идти дальше, пока горячий ветер заметает наши следы, не оставляя возможности вернутся назад. Идеал это мираж, к которому мы постоянно стремимся, и который ускользает от нас, как только мы к нему приближается. Каждый раз когда кто-то создает что-то идеально, оно существует в таком статусе недолго, ибо всегда есть куда расти, всегда есть место для совершенствования. Эта пустыня не имеет конца.

Еще один аспект бытия, который мы по своей наивности считаем подконтрольным нам, это время. Мы его уделяем, коротаем, экономим, измеряем и отсчитываем, но по большей степени мы его теряем. Атомные часы считаются идеальным инструментом измерения времени. Но с каждым новым таким устройством предыдущее теряет свой «эталонный» статус, а идеал, как ему это свойственно, становится на шаг ближе и на два шага дальше.

Сегодня мы познакомимся с исследованием ученых из МТИ (Массачусетский технологический институт, США), в котором они описывают новый тип атомных часов, способных отсчитывать время точнее своих предшественников. Каковы фундаментальные физические принципы, заложенные в данное устройство, как оно работает, и насколько точно в этот ученые отмеряют время? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Современные атомные часы основаны на точном обнаружении разницы энергий между двумя атомными уровнями, которая измеряется в единицах квантовой фазы, накопленной за установленный интервал времени. Стабильность часов на оптической решетке (OLC от optical-lattice clock) ограничивается как прерыванием интеррогации («допрос» системы) атомной системы лазером автогенератора* (эффект Дика*; Local Oscillator Induced Instabilities in Trapped Ion Frequency Standards), так и стандартным квантовым пределом* (SQL от standard quantum limit), который возникает из-за квантового шума, связанного с дискретными измерениями.

Автогенератор (local oscillator)* — электронный генератор с самовозбуждением, вырабатывающий электрические (электромагнитные) колебания, которые поддерживаются подачей по цепи положительной обратной связи части переменного напряжения с выхода автогенератора на его вход.

Эффект Дика* — ограничение стабильности частоты пассивного атомного стандарта частоты, когда вспомогательный источник частоты дискретизируется исключительно периодически.

Стандартный квантовый предел (SQL)* — ограничение, накладываемое на точность непрерывного или многократно повторяющегося измерения какой-либо величины, описываемой оператором, который не коммутирует сам с собой в разные моменты времени.

Методы нивелировать эффект Дика уже существуют, однако система, способная работать за пределами SQL за счет создаваемых квантовых корреляций (т.е. за счет запутываний) между атомами, пока что рассматривалась исключительно в теоретическом виде.

В данном труде ученые описывают процесс успешного создания многоатомного запутанного состояния при OLC переходе для демонстрации последовательности Рэмси* с отклонением Аллана* ниже SQL после вычитания шума автогенератора.

Последовательность Рэмси* — простейшая последовательность, показывающая свободную эволюцию кубита во временной области.

Дисперсия Аллана* — мера стабильности частоты различных устройств, в особенности часов и генераторов. Отклонение Аллана (sigma-tau) равно квадратному корню из дисперсии Аллана.

За последние годы был достигнут впечатляющий прогресс в квантовой, атомной и оптической физики, который значительно повысил точность часов на оптической решетке. Технический шум в некоторых OLC был снижен до уровня, близкого или даже ниже уровня собственного квантового шума*.

Квантовый шум* — является аспектом неопределенности физической величины, ввиду ее квантового происхождения.

Часы, работающие с N некоррелированными атомами в течение времени усреднения τ в SQL, могут достичь ограниченной квантовым шумом стабильности, определяемой выражением

где τ_R — время интеррогации (время Рэмси) атомов лазером; T_c — время тактового цикла; ω₀ — угловая частота тактового перехода; ξ²_w = 1 — параметр Вайнленда для идеальных условий с идеальной подготовкой и детектированием квантового когерентного состояния.

Если часы работают с циклом меньше 1 (T_c > τ_R), а при этом автогенератор не привязан к атомной эволюции в течение части цикла, то шум Дика σ²_Dick, который возникает из-за наложения высокочастотного шума автогенератора, следует добавить к уравнению выше. Подавление шума Дика возможно за счет использования двух ансамблей (т.е. двух совокупностей атомов), что позволяет устранить мертвое время, или путем одновременного допроса двух ансамблей.

Изображение №1

SQL, описываемый формулой 1 с ξ²_w=1, не является фундаментальным пределом и может быть преодолен посредством квантовых корреляций (запутываний) между участвующими атомами. Простейшим запутанным состоянием в данном случае является состояние сжатого спина (SSS от squeezed spin state), в котором квантовый шум перераспределяется между двумя ортогональными квадратурами спина (1d): одна с уменьшенным квантовым шумом (сжатая ось), а другая — с повышенным шумом (анти-сжатая ось). На изображении 1d каждый атом связан со спином 1/2, а ансамбль N-атомов с коллективным спином S₀ = N/2.

Ориентируя сжатую квадратуру коллективного спина вдоль фазовой оси во время работы часов, можно уменьшить квантовый шум и повысить стабильность часов. Потенциальный метрологический выигрыш по сравнению с SQL, выраженный в дисперсии, определяется как ξ^-2_W, где параметр Вайнленда ξ²_w = ξ²/C² включает в себя как уменьшение дисперсии ξ² спинового шума и величину среднего вектора спина |⟨S⟩| = CS₀.

Как отмечают ученые, за последние годы SSS были использованы в различных системах, таких как атомные конденсаты Бозе – Эйнштейна, холодные атомные ансамбли и захваченные ионы. В нейтральных атомах с помощью оптических методов было продемонстрировано сжатие спина до 20 дБ за пределами SQL. Однако, учитывая, что поддерживать фазовую когерентность на высоких частотах сложнее, все сжатия спина до сих пор включали переходы с частотами ω₀ на 5–10 порядков меньше, чем оптические частоты, и переходы, которые демонстрируют пропорционально уменьшенную точность времени.

Основываясь на генерировании сжатия спина между ядерными подуровнями основного электронного состояния ¹⁷¹Yb, ученые создали SSS на оптическом переходе для OLC, в котором атомная система может обеспечивать чувствительность за пределами SQL.

Результаты исследования

Разработанные часы работают с ансамблем из N = 350 ± 40 атомов ¹⁷¹Yb, которые заключены в двумерную ловушку на оптической решетке с магической длиной волны* внутри оптического резонатора (1a) высокой точности (F ≈ 12000) и охлаждаются рамановской боковой полосой до среднего колебательного квантового числа ⟨n_x⟩ < 0.2.

Магическая длина волны* — длина волны оптической решетки, в которой поляризуемости двух состояний атомных часов имеет одинаковое значение.

Для поддержания надежности SSS в созданных часах, было сгенерировано сжатие спинов между двумя ядерными подуровнями |↑⟩ = |¹S₀, m_I = +1/2⟩ и |↓⟩ = |¹S₀, m_I = −1/2⟩ основного электронного состояния ¹S₀ с использованием взаимодействия между атомами и оптическим резонатором. Затем совокупность |↑⟩ была переведена в возбужденное состояние часов |e⟩ = |³P₀, m_I = 1/2⟩ с помощью π-импульса лазера (1b).

Сжатие спинов между подуровнями основного состояния достигается путем оптической накачки атомов в состояние |↑⟩, создавая при этом CSS между |↑⟩ и |↓⟩ с помощью радиочастотного (RF) π/2 импульса, а затем применения лазерного импульса вблизи перехода |↑⟩ = |³P₁, m_F = 3/2⟩ через резонатор. Взаимодействие атома со светом, усиленное резонатором, аппроксимирует одноосный гамильтониан закручивания с продольным магнитным полем, H₁ = β S_x + χ S²_z.

Затем использовался протокол спинового эха для отмены линейного члена (S_z), так чтобы система развивалась под эффективным одноосным гамильтонианом скручивания H = χ S²_z в течение времени τ_s.

Наконец, уменьшенный шум спина можно было ориентировать вдоль любой желаемой оси в многообразии основного состояния {|↓⟩, |↑⟩}, вращая SSS вокруг его среднего направления вращения ⟨S⟩ с помощью другого РЧ-импульса.

Изображение №2

Подготовив SSS в многообразии основного состояния {|↑⟩, |↓⟩}, его картировали на тактовый переход ¹S₀ → ³P₀ путем фазового когерентного перевода населенности |↑⟩ в состояние |e⟩ с оптическим π-импульсом автогенератора. На переходе |g⟩ → |e⟩ наблюдался чистый спектр Раби* (2а) и когерентные колебания Раби (2b).

Частота Раби* — частота, которая количественно описывает взаимодействие резонансного излучения с дипольным моментом атома или молекулы.

На графике 2с видно, что запутанность пережила перенос |g⟩ → |e⟩ → |g⟩, что видно по сжатию спинов после этого процесса в многообразии {|↑⟩, |↓⟩}. Сжатый шум падает значительно ниже стандартного квантового предела до уровня ξ² = −5.9 дБ^+0.6_−0.8.

Изображение №3

На изображении выше показаны измеренные нормированные спиновые шумы ξ² и параметр Вайнленда ξ²_W как функция времени Рэмси на тактовом переходе как для CSS, так и для SSS с его сжатым направлением ориентированным вдоль S_z в спиновом пространстве {|g⟩, |e⟩}.

В этой конфигурации, которая не улучшает тактовые характеристики, но может использоваться для оценки запутанности, фазовый шум автогенератора не влияет на сжатую квадратурную S_z, потому наблюдается, что спиновой шум S_z остается уменьшенным в течение времени до 1 секунды.

В то время как наблюдаемый контраст Рэмси уменьшается из-за фазового шума автогенератора с постоянной времени τ_LO = 6 мс, внутренняя когерентность атомного состояния (средняя длина вектора спина атома |⟨S⟩|) может быть определена, даже если локальный фазовый шум автогенератора является преобладающим.

Спиновая когерентность ансамбля на тактовом переходе экспоненциально затухает с постоянной времени τ_ens = 0.8 ± 0.2 с как для CSS, так и для SSS. Как показано на изображении №3, после времени опроса около 0.2 с, SSS уже недостаточно запутан, чтобы преодолеть SQL, но он все еще может предложить метрологический выгоду по сравнению с CSS на срок до 0.5 с.

В полностью работающих атомных часах атомная фаза используется для стабилизации фазы автогенератора посредством обратной связи. Следовательно, тактовые характеристики могут быть улучшены за счет использования SSS со сжатой осью, ориентированной вдоль направления фазы, что позволяет измерять разность фаз между атомами и автогенератором с большей стабильностью, чем CSS. Оптимальное время Рэмси, при котором достигается максимальная выгода по сравнению с CSS, определяется из времени когерентности автогенератора τ_LO и параметра Вайнленда.

Изображение №4

На изображении выше продемонстрирована реализация OLC-последовательности Рэмси с входом запутанного состояния и показано, что атомарная система обеспечивает стабильность за пределами SQL.

На графике 4а показано, что «сжатые» часы, хоть и не работают за пределами своего SQL из-за фазового шума автогенератора, имеют отклонение Аллана на 3 дБ ниже, чем у тех, что работаю с CSS.

Фазовый шум автогенератора Δϕ_LO в данной системе возникает в основном из-за изменения частоты от последовательности к последовательности Δω/(2π) = 78 ± 3 Гц (т. е. Δϕ_LO = τ_RΔω), и измеряется с помощью последовательность S2 с большим временем Рэмси. Затем можно удалить Δϕ_LO из отклонения Аллана данных S1, чтобы получить внутреннюю стабильность системы атомных часов, работающей с SSS во времеми Рэмси τ_S1 (красные точки на 4c).

Далее ученые проверили работу часов на базе CSS в тех же условиях, но с полностью удаленным шумом автогенератора (синие точки на 4с). Запутанная атомная система демонстрирует стабильность, которая на 4.4^+0.6_–0.4 дБ ниже SQL и на 5.7 дБ ниже CSS, учитывая, что последний также подвержен несовершенному обнаружению состояния и потере контраста.

В совокупности данные результаты показывают успешность создания сжатия спинов ансамбля атомов между атомными уровнями, энергии которых различаются в масштабе оптических фотонов. Сжатие было использовано для демонстрации последовательности оптических часов, в которой запутанность обеспечивает стабильность в атомной системе за пределами стандартного квантового ограничения.

Для более детального ознакомления с нюансами рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые разработали новый тип атомных часов, основой которого стали атомы иттербия. Атомы были охлаждены и захвачены в оптическом резонаторе с помощью двух зеркал. Затем через резонатор пропускали лазерный луч, который отскакивал от зеркал, тем самым многократно взаимодействуя с захваченными атомами. За счет этого достигалась квантовая запутанность атомов. После этого использовался еще один лазерный импульс для измерения их средней частоты. Применение запутывания для часов на оптической решетке повышает их точность примерно в четыре раза, по сравнению с теми, что работают по классической схеме.

Авторы исследования заявляют, первый атом, который взаимодействует с лазерным излучением, изменяет его, затем это измененное излучение меняет второй атом, затем третий атом и т.д. Спустя множество циклов взаимодействия атомы начинают вести себя одинаково, что и является их запутанностью.

Достижение высокой точности требует большего времени для процесса измерения. Этот принцип касается и атомных часов. Если такие устройства объединить с атомной запутанностью, то они смогут значительно быстрее и точнее определять время. Более точные атомные часы позволяют расширить спектр возможностей в аспекте изучения Вселенной, в том числе темной материи и гравитационных волн.

Вполне очевидно, чем лучше инструмент, тем лучше результат работы. Однако не стоит забывать и о том, кто этим инструментом пользуется, и кто его создает. Подобные труды, в которых описываются новые устройства и системы, облегчающие исследования как таковые, лишний раз говорят о невероятной силе интеллекта тех, кто ими занимается.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4. 99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас:Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

как цезий устанавливает эталон времени

С античности слово «атом» играет важную роль в истории: от латинского atomus, термин использовали для обозначения самой маленькой единицы времени. Впервые он упоминается в Греческом Новом Завете в значении «мгновение ока». В современной науке для определения секунды используют не термин, а настоящие атомы цезия. Первый коммерческий аналог атомных часов «Атомихрон» представила National Company of Malden, Массачусетс, 3 октября 1956 года в Нью-Йорке. В исторической рубрике «Имени языка Эйнштейна» разбираемся в устройствах для определения времени и работе самых точных мировых часов.

До атома

Еще до нашей эры люди использовали примитивные способы измерения времени. В Древнем Египте 4000 лет назад сутки делили на 12 часовых периода, ориентируясь по солнечной тени от колонны на циферблате. Такой метод требовал корректировки в зависимости от времени года. В III веке до нашей эры древнегреческий изобретатель Ктесибий создал водяные часы. По мере наполнения емкости поплавок поднимался, и указывал на линии, начерченные на колонне. По прошествии суток колонна поворачивалась, а полный поворот совершала за год. «Часовые» линии были нанесены неравномерно, учитывая разницу в летней и зимней продолжительности светового дня.

В XIV веке были изобретены часы на штыревом спусковом механизме. Спустя еще 200 лет естествоиспытатель Роберт Гук создал пружинные часы. В них энергия от заведенной пружины передавалась на барабан, который запускал остальной механизм. В XVII веке широкое распространение получили маятниковые часы, приводимые в действие колебаниями небольшого груза. Они оставались самыми точными на протяжении трех веков.

Принцип работы штыревого спускового механизма

Вертикальный стержень (штырь v) крепится к средней части и имеет две небольшие пластинки (лопатки p, q): одна сверху штыря, а другая снизу. Лопатки повернуты относительно друг друга на чуть более 90 градусов. Спусковая шестерня (с) имеет форму короны и вращается относительно вертикальной оси. В этот момент ее зуб толкает верхнюю лопатку, механизм начинает двигаться и пластинки попеременно входят в зацепление, что позволяет системе вращаться без дополнительного импульса.

 

Нематериальный эталон

Первым идею атомных часов в середине XIX века возникла у физика Джеймса Максвелла. Он считал, что для измерения времени необходимо использовать систему, которая была бы свободна от материальных эталонов, точные копии которых невозможно создать. Друг Максвелла Лорд Кельвин поддержал теорию и предложил использовать атомы, так как их физические свойства абсолютно одинаковые и не зависят от местоположения во Вселенной.

Каждый электрон в атоме расположен на определенном энергетическом уровне, которые в совокупности образуют слои. Если стимулировать внешние электроны микроволновым излучением, то они могут переходить на «свободные» уровни. Такие «прыжки» создают волну, индивидуальную для каждого элемента, что позволяет использовать ее частоту и период для расчета времени.

Аммиак vs Цезий

В XX веке было сделано много открытий в области квантовой механики и микроволновой электроники, что позволило группе ученых национального Бюро Стандартов под руководством Гарольда Лайонса представить прототип атомных часов в 1948 году. В качестве источника колебаний в разработке использовали молекулу аммиака.

Принцип работы атомных часов

Чтобы «активировать» энергетический переход электронов, необходимо подать на них сигнал определенной микроволновой частоты. Атомы пропускают через генератор такого излучения, и датчики фиксируют создаваемую этими «прыжками» волну.

Однако часы Бюро Стандартов оказались недостаточно точны. Молекулы аммиака взаимодействуют между собой и со стенками емкости, в которой находятся. Это приводит к изменению частоты колебаний, а следовательно, погрешности.

В устройстве следующих часов в качестве источника колебаний использовали цезий. Его атомы тяжелее молекул аммиака, что уменьшает скорость прохождения через генератор и увеличивает точность измерений. Также он нечувствителен к внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. Сегодня существует несколько видов атомных часов со схожим принципом работы: на основе кальция, рубидия, стронция и молекулы водорода.

В 1967 году было принято, что секунда — это 9 192 631 770 периодов колебания атома цезия-133. Эталоном для атомной секунды стало Эфемеридное время — астрономическое время, определенное по орбитальному положению Солнца и Луны относительно Земли с учетом неравномерности вращения тел в течение года.

Современное применение

Цезиевые часы используют в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в базовых станциях мобильной связи. Навигация космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок и передвижение по спутниковой связи GPS также невозможны без высокоточных атомных часов.

Определяют местоположение следующим образом: приемник на Земле измеряет пройденное сигналом от спутника расстояние в секундах и умножает это значение на скорость света. В таком случае если часы ошибутся хотя бы на наносекунду, погрешность составит около 30 метров.

текст: Олеся ЛЕДОВИЧ

иллюстрации: wikipedia. org,

Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology,

National Physical Laboratory

NIST запускает новый стандарт времени США: атомные часы NIST-F2

Атомные часы NIST-F2 Брифинг новостей:

• Вступительное заявление Тома О’Брайана, начальника отдела времени и частоты
• Вступительное заявление Стива Джеффертса , руководитель проекта NIST, первичные стандарты частоты
• Запись вебинара

См. справочную информацию о работе часов и сопровождающую анимацию NIST-F2.

БОУЛДЕР, Колорадо — Национальный институт стандартов и технологий (NIST) Министерства торговли США официально выпустил новые атомные часы, названные NIST-F2, которые будут служить новым гражданским стандартом времени и частоты в США, наряду с текущими Стандарт NIST-F1.

Физики NIST Стив Джеффертс (на переднем плане) и Том Хивнер с атомными часами с цезиевым фонтаном NIST-F2, новым гражданским эталоном времени в Соединенных Штатах.

Кредит:

НИСТ

NIST-F2 не выиграет и не потеряет ни секунды примерно за 300 миллионов лет, что делает его примерно в три раза более точным, чем NIST-F1, который служит стандартом с 1999 года. В обоих часах используется «фонтан» из атомов цезия для определения точная продолжительность секунды.

Ученые NIST недавно представили Международному бюро мер и весов (BIPM), расположенному недалеко от Парижа, Франция, первые официальные данные о производительности NIST-F2*, который разрабатывался в течение десяти лет. Это агентство сопоставляет данные атомных часов по всему миру, чтобы получить всемирное координированное время (UTC), международный стандарт времени. Согласно данным BIPM, NIST-F2 в настоящее время является самым точным эталоном времени в мире.50-е годы. Выполняя роль центра измерений в США, NIST стремится развивать атомное хронометраж, являющееся частью базовой инфраструктуры современного общества. Многие повседневные технологии, такие как сотовые телефоны, спутниковые приемники глобальной системы позиционирования (GPS) и электроэнергетическая система, полагаются на высокую точность атомных часов. Исторически сложилось так, что улучшение хронометража неизменно приводило к совершенствованию технологий и инновациям.

NIST запускает новый стандарт времени США NIST-F2 Atomic Clock

«Если мы чему-то и научились за последние 60 лет создания атомных часов, так это тому, что каждый раз, когда мы строим лучшие часы, кто-то придумывает для них такое применение, о котором вы не могли и догадываться», — говорит Физик NIST Стивен Джеффертс, ведущий разработчик NIST-F2.

На данный момент NIST планирует одновременно использовать как NIST-F1, так и NIST-F2. Долгосрочные сравнения двух часов помогут ученым NIST продолжать совершенствовать оба часа, поскольку они служат стандартом США для гражданского времени. Военно-морская обсерватория США поддерживает стандарты военного времени.

Как NIST-F1, так и NIST-F2 измеряют частоту определенного перехода в атоме цезия, которая составляет 9 192 631 770 колебаний в секунду и используется для определения секунды, международной (СИ) единицы времени. Основное функциональное отличие заключается в том, что F1 работает при температуре, близкой к комнатной (около 27 ºC или 80 ºF), тогда как атомы в F2 защищены в гораздо более холодной среде (при минус 193 ºC или минус 316 ºF). Это охлаждение резко снижает фоновое излучение и, таким образом, уменьшает некоторые из очень небольших ошибок измерения, которые должны быть исправлены в NIST-F1.

Атомные часы NIST-F2: как они работают?

Первичные эталоны, такие как NIST-F1 и NIST-F2, используются в течение нескольких недель несколько раз в год для калибровки шкал времени NIST, наборов стабильных коммерческих часов, таких как водородные мазеры, используемые для измерения времени и установления официального времени суток. . Часы NIST также вносят свой вклад в UTC. Технически и F1, и F2 являются стандартами частоты, то есть они используются для измерения размера секунды SI и калибровки «тиков» других часов. (Время и частота обратно пропорциональны.)

NIST предоставляет широкий спектр услуг по измерению времени и синхронизации для удовлетворения широкого круга потребностей клиентов. Официальное время NIST используется, например, для отметки времени финансовых транзакций в США на сотни миллиардов долларов каждый рабочий день. Время NIST также распространяется среди промышленности и общественности через Интернет-службу времени, которая по состоянию на начало 2014 г. получала около 8 миллиардов автоматических запросов в день на синхронизацию часов на компьютерах и сетевых устройствах; и радиопередачи NIST, которые ежедневно обновляют примерно 50 миллионов часов и других часов.

По запросу итальянской организации по стандартизации NIST изготовил множество дублирующих компонентов для второй версии NIST-F2, известной как IT-CsF2, для эксплуатации Национальным институтом метрологии Ricerca (INRIM), партнером NIST в Турине, Италия. Два соавтора из Италии внесли свой вклад в новый отчет по NIST-F2.

Эпоха цезиевых часов официально восходит к 1967 году, когда секунда была определена на основе колебаний атома цезия. Цезиевые часы значительно улучшились с тех пор и, вероятно, улучшатся еще немного. Но часы, работающие на микроволновых частотах, например, на основе цезия или других атомов, скорее всего, приближаются к предельным возможностям своих характеристик из-за относительно низких частот микроволн. В будущем более высокая производительность, вероятно, будет достигнута с часами на основе атомов, которые переключают энергетические уровни на гораздо более высоких частотах в видимой части электромагнитного спектра или вблизи нее. Эти оптические атомные часы делят время на более мелкие единицы и могут привести к созданию стандартов времени, более чем в 100 раз более точных, чем сегодняшние цезиевые стандарты. Более высокая частота является одним из множества факторов, позволяющих повысить точность и аккуратность.

Для СМИ: Видеоролики высокой четкости доступны по запросу.

*Т.П. Хивнер, Э.А. Донли, Ф. Леви, Г. Костанцо, Т.Е. Паркер, Дж.Х. Ширли, Н. Эшби, С.Э. Барлоу и С.Р. Джеффертс. Первая оценка точности NIST-F2. 2014. Метрология 51 174 doi:10.1088/0026-1394/51/3/174.

**Эти данные публикуются ежемесячно в Циркуляре BIPM T , доступном онлайн по адресу http://www.bipm.org/jsp/en/TimeFtp.jsp?TypePub=publication#nohref. Планируется, что NIST-F2 впервые будет включен в список в выпуске за март 2014 года. Интересующее значение представляет собой неопределенность типа B (систематическая).

Стандарты времени. Что такое время?

Королевская Гринвичская обсерватория в Лондоне является местом расположения нулевого меридиана, используемого для расчета среднего времени по Гринвичу, самого раннего стандарта времени, принятого на международном уровне. измерение — это Система СИ (см. раздел «Единицы измерения»), которая использует секунды в качестве базовой единицы времени. Хронометраж настолько важен в современном мире, как для научных целей, так и для более общих целей, что теперь он координируется на международном уровне и синхронизируется с помощью невероятно точных атомных часов (см. раздел о часах).

Однако, даже если мы сможем договориться о единице измерения, существует несколько различных спецификаций, которые можно использовать для измерения скорости течения времени и/или точек во времени и координации этого времени по всему миру, и эти спецификации представлены известный как время стандарты . Многие из этих стандартов связаны или связаны между собой, но отличаются друг от друга некоторыми мелкими деталями, а некоторые используются для очень специфических целей.

Международное атомное время (TAI)

Международное атомное время (Temps atomique international, или TAI) представляет собой средневзвешенное значение времени, которое показывают более 200 атомных (в основном цезиевых) часов по всему миру, синхронизированных с использованием сигналов GPS и двусторонней спутниковой передачи времени и частоты, что приводит к гораздо большую стабильность, чем показания любых одиночных часов. Из-за чрезвычайной точности атомных часов в их часах даже сделана поправка на высоту над уровнем моря (см. раздел о релятивистском времени). TAI является основой для всеобщего скоординированного времени (UTC), которое используется для гражданского хронометража во всем мире, и для земного времени (TT), которое является основным стандартом, используемым для астрономических расчетов, оба из которых описаны ниже.

Универсальное время

(UT)

Универсальное время (UT) основано на среднем солнечном времени (т.е. основано на вращении Земли), и поэтому одинаково везде на Земле. Универсальное время заменило старую систему, основанную на телескопах, Среднее время по Гринвичу (см. ниже) в 1928 году в качестве всемирного стандарта времени для установки стандартного времени (также см. Ниже), хотя старый термин по Гринвичу до сих пор часто используется неофициально для обозначения UT. Основная форма всемирного времени — 9.0063 UT1 , который вычисляется на основе наблюдений за астрономическими явлениями, даже более точными, чем измерения Солнца, включая наблюдения далеких звезд и квазаров, лазерную дальнометрию Луны и искусственных спутников, а также определение спутниковых орбит GPS, масштабированные и слегка скорректированные приблизить их к солнечному времени. UT2 (сегодня используется редко) — это сглаженная версия UT1, которая отфильтровывает периодические сезонные колебания.

Всемирное координированное время (UTC)

Всемирное скоординированное время (Temps Universel Coordonné, или UTC), которое отличается от UT1 на 0,9 секунды, теперь является основным стандартом времени, по которому гражданские власти мира регулируют свои часы (хотя и с некоторыми корректировками — см. стандартное время ниже). . С 1964 года под эгидой Международного астрономического союза трансляция международного времени координируется и корректируется по мере необходимости, чтобы соответствовать всемирному координированному времени. UTC использует то же определение секунд SI, что и Международное атомное время, и отличается от TAI только целым числом секунд, вызванным добавлением 9.0063 високосных секунды добавляются через неравные промежутки времени, чтобы компенсировать замедление вращения Земли и природные катаклизмы, такие как землетрясения и ураганы (общая разница в 25 секунд по состоянию на 2012 год).

Стандартное время (ST)

Знакомые часовые пояса, которые мы сейчас используем во всем мире, являются частью стандартного времени

Стандартное время (ST) — обычное время, которое большинство людей использует в повседневной жизни, и основа для официального гражданское время . Он основан на универсальном времени (см. выше), но стремится учитывать географическое положение различных частей Земли по отношению к Солнцу (и их последующие дневные и ночные циклы). Первоначально ST был оформлен шотландско-канадским Сэр Сэндфорд Флеминг в 1879 году, до которого каждая страна и даже каждый город следовали своему времени. Стандартное время делит мир на 24 часовых пояса, каждый из которых охватывает 15 градусов долготы (хотя, из соображений практичности, некоторые пояса также следуют границам страны на части своей длины), так что у каждого на планете есть Солнце более или менее в самой высокой точке неба в полдень. ST определяется в терминах смещения от нулевого меридиана , или долготы 0°, в Гринвиче, Англия (также см. Среднее время по Гринвичу ниже), и всех часов в пределах каждого часовой пояс настроены на то же время, что и другие, и отличаются на один час от времени в соседних зонах, хотя в некоторых случаях также наблюдаются получасовые или даже четвертьчасовые смещения. Международная линия перемены дат — это линия в середине Тихого океана на 180° долготы, где необходимо добавить календарный день при движении на запад и отбросить день при движении на восток. Стандартное время также иногда корректируется с помощью летнего времени (DST или летнего времени 9).0064), в результате чего в более светлые летние месяцы часы переводятся на один час вперед, так что по вечерам дневной свет более заметен, а по утрам — меньше. Летнее время впервые было введено во время Первой мировой войны, в основном для того, чтобы более точно соответствовать часам бодрствования людей, тем самым снижая потребность в искусственном освещении и экономя топливо. С тех пор его использовали многие другие страны, и многие до сих пор используют, включая большую часть Европы и Северной Америки.

Среднее время по Гринвичу (GMT)

Среднее время по Гринвичу (GMT) был самым ранним международным стандартом времени. Он был установлен на Международной конференции по меридианам в 1884 году, когда было решено разместить нулевой меридиан (0° долготы) в Гринвиче, Англия, хотя Гринвич уже широко использовался в качестве эталона с момента основания там Королевской обсерватории в 1675 году. Это стандарт, основанный на телескопе, где полдень по Гринвичу определяется как среднее (среднее) время, когда Солнце пересекает нулевой меридиан и достигает там своей высшей точки на небе. Другие часовые пояса по всему миру, используемые в стандартном времени (см. выше), определяются в терминах смещения от GMT, так что все часы в пределах каждого часовой пояс настроен на то же время, что и другие. GMT был заменен в качестве основного международного стандарта универсальным временем (см. Выше) в 1928 году, хотя UT до сих пор часто неофициально называют GMT.

Время GPS

Время GPS — это стандарт времени, используемый Глобальной системой позиционирования (GPS), космической спутниковой навигационной системой, впервые разработанной в 1973 году и полностью введенной в эксплуатацию в 1995 году, которая обеспечивает определение местоположения и информацию о времени для военных, гражданских и коммерческих пользователей по всему миру. Время GPS не корректируется в соответствии с вращением Земли, поэтому оно не содержит високосных секунд или других поправок, которые периодически добавляются к UTC (время GPS было установлено в соответствии с UTC в 1980, но с тех пор расходится), и необходимо периодически вносить поправки в бортовые часы, чтобы поддерживать их синхронизацию с наземными часами. С другой стороны, оно отличается от International Atomic Time постоянным смещением примерно на 19 секунд.

Земное время (TT)

Земное время (TT) — это современный эталон астрономического времени, используемый в основном для измерения времени астрономических наблюдений, проводимых с поверхности Земли. Это динамическое время , что означает, что он определен неявно, выведен из наблюдаемых положений астрономических объектов в соответствии с теорией их движения, обычно основанной на эфемеридах , таблицах орбитальных положений планет или спутников, нанесенных на карту за определенный период времени. С 1970-х годов он заменил аналогичные стандарты Terrestrial Dynamical Time (TDT) и Barycentric Dynamical Time (TDB), которые имели недостатки, а также более ранний стандарт Ephemeris Time (ET) до этого. Он использует стандартные секунды СИ и отличается от международного атомного времени (см. Выше) примерно на 32 секунды, хотя само по себе оно не определяется атомными часами, а по сути является теоретическим идеалом, который реальные часы могут только приблизить.

Звездное время

Звездное время — это система хронометража, используемая астрономами для отслеживания направления, в котором их телескопы смотрят на данную звезду в ночном небе. Он основан на скорости вращения Земли, измеренной относительно «неподвижных звезд», в отличие от солнечного времени , которое отсчитывает ход времени на основе положения Солнца на небе. В результате обращения Земли вокруг Солнца звездные сутки примерно на 4 минуты меньше солнечных суток, колеблясь от 3 минут 35 секунд до 4 минут 26 секунд из-за эллиптического пути орбиты Земли.

Системное время

Системное время на компьютере измеряется системными часами, которые обычно реализуются как простой подсчет количества «тиков», прошедших с некоторой произвольной начальной даты, называемой эпохой. Несколько вариантов метрического времени используются в вычислениях. Широко используемое UNIX-время определяется как количество секунд, прошедших с 00:00:00 UTC 1 января 1970 года. Microsoft FILETIME использует значения, кратные 100 нс с 1 января 1601 года. OpenVMS использует число 100 нс с 17 ноября 1858 года, а ОС RISC использует число сантисекунд с 1 января 1900 года. компьютерные часы на всемирное координированное время (см. выше).

Новый стандарт времени в США, запущенный с помощью атомных часов NIST-F2

Если вы из тех, кто счастлив провести час, настраивая часы на микроволновке, потому что они должны быть точны, тогда новости из США Национальный институт стандартов и технологий (NIST) при Министерстве торговли – это то, что вам нужно. NIST объявил о выпуске новых атомных часов в качестве официального эталона гражданского времени. Названный NIST-F2, он настолько точен, что потеряет всего одну секунду за 300 миллионов лет.

Объявление последовало за недавним официальным выпуском данных о производительности NIST-F2 в Международное бюро мер и весов (BIPM) за пределами Парижа, которое использует данные атомных часов для создания международного стандарта времени всемирного координированного времени ( УНИВЕРСАЛЬНОЕ ГЛОБАЛЬНОЕ ВРЕМЯ). Разрабатываемый более десяти лет, NIST-F2 в три раза точнее и заменяет NIST-F1, который определяет стандарт хронометража с 1999 года. последняя разработка цезиевых атомных часов, впервые использованных NIST в 1950-е годы. NIST внес ряд модификаций в F2, но в основном он отличается от F1 по температуре. F1 работает при 27 ºC (80 ºF), а F2 работает при гораздо более низкой температуре, минус 193 ºC (минус 316 ºF). Это снижает фоновое излучение, с которым приходится бороться машине, и, поскольку более холодные атомы движутся намного медленнее, можно проводить более длительные измерения.

Схема NIST-F2

Часы состоят из трубчатой ​​вакуумной камеры, в нижней части которой находятся шесть инфракрасных лазеров, и кольцеобразной камеры, заполненной микроволнами, создаваемыми мазером. Атомы цезия вводятся в камеру, и лазеры собирают около 10 миллионов из них в шар и охлаждают почти до абсолютного нуля. Затем два вертикальных лазера толкают шарик из атомов цезия вверх по трубке, прежде чем позволить ему снова упасть вниз, тысячи раз в час. Это движение вверх и вниз является основой для названия системы.

Когда мяч подпрыгивает вверх и вниз, он проходит через микроволны, и некоторые атомы цезия возбуждаются. Когда на них попадает другой лазер, они испускают свет, который можно измерить, регулируя частоту. Частота, при которой большинство атомов возбуждаются и, таким образом, излучают больше всего света, является собственной резонансной частотой атома цезия, или 9 192 631 770 Гц. Итак, ученый измеряет свет, исходящий от шара атомов, и когда он достигает пика, возникает естественная резонансная частота.

Что это имеет отношение ко времени, так это то, что 9 192 631 770 Гц является международным определением секунды. Другими словами, все, что нужно сделать ученым, — это заставить атомы цезия колебаться 9 192 631 770 раз, и вы получите вторую.

Это означает, что F2 не являются часами в том смысле, что они отсчитывают время; он определяет, что такое время, определяя, как долго длится секунда. Из-за этого, хотя и возможно сделать более точные часы, по определению они не могут быть более точными, пока не будет установлен новый стандарт.

NIST-F2 использует лазеры для захвата атомов цезия

Все это может показаться эзотерическим, но современное технологическое общество зависит от атомных часов. Часы, которые могут работать с предельной точностью и точностью, используются для обеспечения работы мобильных телефонов, GPS, электросетей, цифрового телевидения и Интернета. Он также используется в радиоастрономии, временных метках для финансовых транзакций и устанавливает стандарт для систем, которые автоматически устанавливают время для миллиардов часов и компьютеров каждый день, прямо или косвенно, посредством радиопередач и Интернета.

Тем не менее, F2 не запускает их сам — на самом деле он работает только несколько недель в году. Его работа состоит в том, чтобы выступать в качестве эталона, относительно которого настраиваются менее точные, но более надежные атомные часы, чтобы убедиться, что они остаются синхронизированными с универсальным временем.

NIST отмечает, что коммерческие часы, для которых NIST-F2 устанавливает стандарты, столь же точны, как и лучшие часы NIST 20-летней давности, и эта технология вдохновляет на новые технологии по мере улучшения часов.