Содержание
В России созданы атомные часы рекордной точности
Новости
28 июля 2017
—
Российские ученые создали оптические часы, претендующие на звание самых точных в мире, которые помогут продвинуться в создании беспилотного транспорта, заявил в интервью РИА Новости руководитель Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) Алексей Абрамов.
«В лабораториях национального метрологического института ВНИИФТРИ (Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений – ред.) уже созданы первые в России оптические стандарты частоты на холодных атомах – оптические часы. Характеристики их точности и стабильности на сегодняшний день одни из лучших в мире», – сказал Абрамов.
По его словам, в самом ближайшем будущем планируется организация сличений оптических стандартов ведущих мировых лабораторий в рамках программ международного сотрудничества.
При этом российские ученые сделают всё возможное, чтобы быть лидерами в этой области, подчеркнул Абрамов.
«Помимо высокой точности и стабильности, оптические часы очень чувствительны к гравитационному полю Земли. Этот факт позволяет предсказывать извержения вулканов по изменению частоты атомного «маятника». А еще — повысить точность определения высоты над уровнем моря при решении задач навигации. Кстати, наряду с высокой точностью определения координат, это позволит сделать шаг вперед на пути создания беспилотных автомобилей, самолетов и морских судов», – пояснил глава ведомства.
Как уточнил Абрамов, сегодня время определяется по цезиевому стандарту, когда считается секунда по переходу между двумя сверхтонкими уровнями атома цезия-133. Погрешность их хода составляет 1 секунду за 100 миллионов лет, а их использование в глобальной навигации позволяет определять местоположение объектов с точностью до нескольких метров. При этом погрешность хода лучших оптических часов составляет 1 секунду уже за несколько миллиардов лет, а точность определения координат в навигации увеличивается до нескольких сантиметров.
Поделиться
Отправить
Твитнуть
Отправить
Научный портал «Атомная энергия 2.0“ – это открытое к сотрудничеству прогрессивное цифровое СМИ с элементами управления ядерными знаниями, семантического анализа и ценностного лидерства, ставящее своей целью решение ключевых социально-ориентированных задач фундаментальной системообразующей атомной отрасли:
– образования и общения широкой общественности и специалистов об инновационном развитии экологически устойчивых, эффективных и полезных ядерных и радиационных наук и технологий в России и мире,
– формирования популярного сообщества ученых, инноваторов, деловых, государственных, общественных и экологических лидеров, открыто поддерживающих их дальнейшее развитие и изучение,
– формирования популярного сообщества компаний и организаций, открыто обменивающихся передовым опытом, знаниями, культурой, возможностями, инновациями и инициативами,
– и поддержки и привлечения талантливой и амбициозной молодежи к реализации длительных и успешных профессиональных карьер в атомной и смежных индустриях.
Мы предлагаем Вашей организации стать одним из партнеров нашего просветительского проекта и получить уникальный пакет профессиональных коммуникационных и рекламных услуг.
Почему нужна атомная энергетика?
Атомные часы измерили, как общая теория относительности искажает время на миллиметр
1782
Добавить в закладки
Рекордный результат показывает невероятную точность, достижимую атомными часами, — пишет sciencenews.org.
Часы на разной высоте тикают с разной скоростью. Атомные часы теперь показали эту ключевую особенность общей теории относительности в масштабе миллиметра. Миллиметр может показаться не таким уж большим. Но даже такое маленькое расстояние может изменить течение времени.
Согласно общей теории относительности Эйнштейна, часы идут тем быстрее, чем дальше они находятся от Земли или другого массивного объекта. Теоретически это должно быть справедливо даже для очень небольшой разницы в высоте часов.
Теперь невероятно чувствительные атомные часы заметили это ускорение на миллиметровом образце атомов, обнаружив эффект при меньшей разнице высот, чем когда-либо прежде. Как сообщают исследователи 24 сентября на arXiv.org, время движется немного быстрее в верхней части этой выборки, чем в нижней.
«Это фантастика, — говорит физик-теоретик Марианна Сафронова из Делавэрского университета в Ньюарке, которая не принимала участия в исследовании. — Я думал, что до этого момента потребуется гораздо больше времени». Чрезвычайная точность измерения атомных часов предполагает возможность использования чувствительных часов для проверки других фундаментальных концепций физики.
Врожденное свойство атомов позволяет ученым использовать их в качестве часов. Атомы существуют на разных уровнях энергии, и определенная частота света заставляет их прыгать с одного уровня на другой. Эта частота — частота колебаний световых волн — служит той же цели, что и секундная стрелка часов, которая регулярно тикает.
Для атомов, находящихся дальше от земли, время бежит быстрее, поэтому для скачка энергии потребуется более высокая частота света. Ранее ученые измерили этот частотный сдвиг, известный как гравитационное красное смещение, на разнице высот в 33 сантиметра.
В новом исследовании физик Джун Йе из JILA в Боулдере, штат Колорадо, и его коллеги использовали часы, состоящие примерно из 100 000 ультрахолодных атомов стронция. Эти атомы были расположены в решетке – то есть атомы располагались на разной высоте, как если бы они стояли на ступенях лестницы. Картирование того, как частота изменилась на этих высотах, выявило сдвиг. После корректировки негравитационных эффектов, которые могут сдвигать частоту, частота часов изменилась примерно на одну сотую квадриллионной доли процента на миллиметр — как раз на величину, ожидаемую в соответствии с общей теорией относительности.
Более того, после сбора данных в течение примерно 90 часов и сравнения тиканья верхней и нижней части часов ученые определили, что их метод может измерять относительную скорость тикания с точностью до 0,76 миллионной триллионной доли процента.
Это делает его рекордом для самого точного сравнения частот из когда-либо проводившихся.
В похожем исследовании, также представленном 24 сентября на arXiv.org, другая группа исследователей загрузила атомы стронция в определенные части решетки, чтобы создать шесть часов в одном. «То, что они сделали, тоже очень увлекательно», — говорит Сафронова.
Шимон Колковиц из Университета Висконсин-Мэдисон и его коллеги измерили относительную скорость тикания двух часов, разделенных примерно шестью миллиметрами, с точностью 8,9 миллионных триллионных долей процента, что само по себе было бы новым рекордом, если бы это не было использовано группой Йе. Обладая такой чувствительностью, ученые могли обнаружить разницу между двумя часами, идущими с такой незначительной разницей, что они разошлись бы всего на одну секунду примерно через 300 миллиардов лет. Часы Йе могут обнаружить еще меньшее расхождение между двумя половинами часов в одну секунду, накопленными примерно за 4 триллиона лет. Хотя команда Колковица еще не измерила гравитационное красное смещение, эту установку можно было бы использовать для этого в будущем.
«Точность измерений намекает на будущие возможности, — говорит физик-теоретик Виктор Фламбаум из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее. Например, «атомные часы теперь настолько точны, что их можно использовать для поиска темной материи», — говорит он. Эта незаметная, неопознанная субстанция незримо скрывается в космосе; определенные гипотетические типы темной материи могут изменять ход часов. Ученые также могли сравнивать атомные часы, сделанные из разных изотопов — атомов с различным количеством нейтронов в ядрах, — что может указывать на неоткрытые новые частицы. А атомные часы могут изучать, могут ли фундаментальные константы природы меняться.
Возможность точно сравнивать разные часы также важна для основной цели хронометража: обновления определения секунды. Продолжительность секунды в настоящее время определяется с использованием атомных часов более раннего поколения, которые не так точны, как более новые, подобные тем, которые используются в двух новых исследованиях.
«У часов очень светлое будущее», — говорит Сафронова.
[Фото: www.sciencenews.org]
Корреспондент Анна Юдина
атомные часы
теория относительности
поиски темной материи
Источник:
www.sciencenews.org
Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.
НАУКА ДЕТЯМ
Стать свободным от страха. «В мире науки» № 9-10
16:00 / Здравоохранение, Медицина, Наука и общество
Ученые ОИЯИ ищут доказательства существования новой физики на Большом адронном коллайдере
15:30 / Физика
Экологичная и прочная пленка заменит стекло в теплицах и парниках
15:20 / Новые технологии, Экология
Аргументы и факты: губернатор Томской области и глава РАН обсудили развитие науки в регионе
15:00 / Наука и общество
Слабая связь между матрицей и волокном увеличила прочность композитного материала
14:30 / Физика
Ученые научились управлять свойствами уникальных магнитных материалов, изменяя их химический состав
13:30 / Физика
Сибирские акценты онкологической науки.
«В мире науки» № 9-10
13:00 / Здравоохранение, Медицина, Наука и общество
НОШ МГУ «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология» представила итоги года
12:30 / Биология, Образование
В Израиле обнаружен первый артефакт с полным предложением на ханаанском языке
12:00 / Археология
На Международном форуме-диалоге «Наука за мир и развитие» обсудят роль ученого в изменяющемся мире
11:30 / Наука и общество
Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008
04.03.2019
Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002
04.03.2019
Вспоминая Сергея Петровича Капицу
14.02.2017
Смотреть все
Как работают атомные часы?
Главная Часовые пояса Атомные часы
Автор Константин Бикос
С погрешностью всего в 1 секунду за 100 миллионов лет атомные часы являются одними из самых точных устройств для измерения времени в истории.
Цезиевые часы в Брауншвейге, Германия.
ptb.de
9 192 631 770 Колебания
Атомные часы предназначены для точного измерения длины секунды , основной единицы современного хронометрирования. Международная система единиц (СИ) определяет секунду как время, за которое атом цезия-133 в точно определенном состоянии совершает точное колебание:
9 миллиардов 192 миллиона 631 тысяча 770 раз.
Официальное определение содержит более подробную информацию: «Вторая — это продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Это определение относится к атому цезия в состоянии покоя при температуре 0 градусов по Кельвину».
Принцип работы атомных часов
В атомных часах собственные колебания атомов действуют как маятник в напольных часах. Однако атомные часы намного точнее обычных часов, потому что атомные колебания имеют гораздо более высокую частоту и гораздо более стабильны.
Существует множество различных типов атомных часов, но в основном они используют один и тот же основной принцип работы, который описан ниже:
Нагрев, объединение и сортировка
Сначала атомы нагреваются в печи и собираются в пучки . Каждый атом имеет одно из двух возможных энергетических состояний. Их называют сверхтонкими уровнями , но давайте назовем их состоянием A и состоянием B.
Затем магнитное поле удаляет из луча все атомы в состоянии B, так что остаются только атомы в состоянии A.
Внутреннее устройство атомных часов.
Ирридация и подсчет
Атомы в состоянии А пропускаются через резонатор, где они подвергаются микроволновому излучению, что приводит к переходу некоторых атомов в состояние В. За резонатором атомы, которые все еще находятся в состоянии А, удаляются. вторым магнитным полем. Затем детектор подсчитывает все атомы, перешедшие в состояние B.
Настройка и измерение
Процент атомов, изменивших свое состояние при прохождении через резонатор, зависит от частоты микроволнового излучения.
Чем больше он синхронизирован с собственной частотой колебаний атомов, тем больше атомы меняют свое состояние.
Цель состоит в том, чтобы точно настроить микроволновую частоту на колебания атомов, а затем измерить ее. После ровно 9 192 631 770 колебаний прошла секунда.
Насколько точны атомные часы?
Точность атомных часов меняется и постоянно улучшается. С ожидаемой погрешностью всего в 1 секунду примерно за 100 миллионов лет часы NIST-F1 в Боулдере, штат Колорадо, являются одними из самых точных часов в мире.
Это часы с цезиевым фонтаном, в которых лазеры концентрируют атомы в облако, охлаждают их, а затем подбрасывают вверх. Этот метод замедляет атомы, что позволяет увеличить период измерения и получить более точную аппроксимацию собственной частоты атомов.
Оптические часы
В настоящее время ученые разрабатывают устройство, которое еще точнее, чем современные атомные часы. Оптические атомные часы используют свет в видимом спектре для измерения колебаний атомов.
Резонансная частота световых лучей примерно в 50 000 раз выше, чем у микроволнового излучения, что позволяет проводить более точные измерения. Ожидаемое отклонение новых оптических часов составляет 1 секунду за 15 миллиардов лет.
Зачем нужны атомные часы?
Около 400 атомных часов по всему миру участвуют в расчете Международного атомного времени (TAI), одного из стандартов времени, используемых для определения всемирного координированного времени (UTC) и местного времени по всему миру.
Спутниковые навигационные системы, такие как GPS, ГЛОНАСС и Galileo, также полагаются на точные измерения времени для точного расчета местоположения.
Темы: Часы, Хронометраж
Реклама
В другом месте на timeanddate.com
AM и PM объяснил
Как работает 12-часовая система часов? Полночь это 12 часов ночи или 12 часов дня?
Летнее время (DST)
Почему во многих странах часы дважды в год переводятся на час вперед и назад?
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.
История перехода на летнее время
История перехода на летнее время (DST). Для чего было создано летнее время, кто его изобрел и какой смысл менять время каждый год?
NIST-F1 Атомные часы с цезиевым фонтаном
NIST-F1, национальный первичный стандарт времени и частоты, представляет собой атомные часы с цезиевым фонтаном, разработанные в лабораториях NIST в Боулдере, штат Колорадо. NIST-F1 вносит свой вклад в международную группу атомных часов, которые определяют Всемирное координированное время (UTC), официальное мировое время. Поскольку NIST-F1 является одним из самых точных часов в мире, он делает UTC более точным, чем когда-либо прежде.
Неопределенность NIST-F1 постоянно улучшается. В 2000 году неопределенность составляла около 1 x 10 -15 , но по состоянию на январь 2013 года неопределенность была уменьшена примерно до 3 x 10 -16 , что означает, что он не выиграет и не потеряет ни секунды из более чем 100 миллионов годы! На приведенном ниже графике показано, как NIST-F1 сравнивается с предыдущими атомными часами, созданными NIST.
Сейчас они примерно в десять раз более точны, чем NIST-7, атомные часы на цезиевом луче, которые служили основным эталоном времени и частоты в Соединенных Штатах с 1993-1999.
Техническое описание
NIST-F1 называют фонтанными часами, поскольку они используют фонтанообразное движение атомов для измерения частоты и временного интервала. Сначала в вакуумную камеру часов вводят газ из атомов цезия. Затем шесть инфракрасных лазерных лучей направляются под прямым углом друг к другу в центр камеры. Лазеры мягко сталкивают атомы цезия в шар. В процессе создания этого шара лазеры замедляют движение атомов и охлаждают их до температуры, близкой к абсолютному нулю.
Два вертикальных лазера используются для мягкого подбрасывания мяча вверх (действие «фонтана»), после чего все лазеры выключаются. Этого небольшого толчка достаточно, чтобы поднять мяч на высоту около метра через полость, заполненную микроволнами. Затем под действием силы тяжести шарик падает обратно через микроволновую полость.
Путешествие туда и обратно через микроволновую полость длится около 1 секунды. Во время поездки атомные состояния атомов могут измениться или не измениться, поскольку они взаимодействуют с микроволновым сигналом. Когда их путешествие закончено, на атомы наводится другой лазер. Те атомы, атомное состояние которых было изменено микроволновым сигналом, излучают свет (состояние, известное как флуоресценция). Фотоны или крошечные пакеты света, которые они испускают, измеряются детектором.
Этот процесс повторяется много раз, пока микроволновый сигнал в резонаторе настраивается на разные частоты. В конце концов, обнаружена микроволновая частота, которая изменяет состояния большинства атомов цезия и максимизирует их флуоресценцию. Эта частота является собственной резонансной частотой атома цезия (9 192 631 770 Гц) или частотой, используемой для определения секунды.
Сочетание лазерного охлаждения и конструкции фонтана позволяет NIST-F1 наблюдать за атомами цезия в течение более длительного периода времени и, таким образом, достигать беспрецедентной точности.