Как работают атомные часы: Который атомный час? Как работает самый точный и малопонятный прибор для измерения времени |

Содержание

Который атомный час? Как работает самый точный и малопонятный прибор для измерения времени

Олег
Сабитов

Новостной редактор

70 лет назад физики впервые изобрели атомные часы — самый точный на сегодняшний день прибор для измерения времени. С тех пор устройство прошло путь от концепта размером с целую комнату до микроскопического чипа, который можно встроить в носимые устройства. «Хайтек» объясняет, как работают атомные часы, чем отличаются от привычных нам приборов для измерения времени и почему они вряд ли станут массовым явлением.

Читайте «Хайтек» в

Начнем с простого: что такое атомные часы?

Это не так уж просто! Для начала разберемся, как работают привычные нам инструменты для измерения времени — кварцевые и электронные хронометры.

Часы, которые могут измерять секунды, состоят из двух компонентов:

Физическое действие, которое повторяется определенное количество раз в секунду.

Счетчик, который сигнализирует, что секунда прошла, когда происходит определенное количество действий.

В кварцевых и электронных часах физическое действие происходит в кристалле кварца определенного размера, который сжимается и разжимается под воздействием электрического тока с частотой 32 768 Гц. Как только кристалл совершает это количество колебаний, часовой механизм получает электрический импульс и поворачивает стрелку — так работает счетчик.

Кварциевые часы

В атомных часах процесс происходит иначе. Счетчик фиксирует микроволновый сигнал, испускаемый электронами в атомах при изменении уровня энергии. Когда атомы щелочных и щелочноземельных металлов вибрируют определенное количество раз, прибор принимает это значение за секунду.

Показания цезиевых атомных часов лежат в основе современного определения секунды в международной системе единиц измерения СИ. Она определяется как промежуток времени, в течение которого атом цезия-133 (133Cs) совершает 9 192 631 770 переходов.

Первые атомные часы

Атомные часы и правда очень точные?

Да! Например, механические кварцевые часы работают с точностью ±15 секунд в месяц. Когда кварцевый кристалл вибрирует, он теряет энергию, замедляется и теряет время (чаще всего такие часы спешат). Подводить такие часы нужно примерно два раза в год.

Кроме того, со временем кристалл кварца изнашивается и часы начинают спешить. Такие измерительные приборы не отвечают требованиям ученых, которым необходимо делить секунды на тысячи, миллионы или миллиарды частей. Механические компоненты нельзя заставить двигаться с такой скоростью, а если бы это удалось сделать, их компоненты изнашивались бы крайне быстро.

Цезиевые часы отклонятся на одну секунду за 138 млн лет. Однако точность таких измерительных приборов постоянно растет — на данный момент рекорд принадлежит атомным часам с точностью около 10 в степени –17, что означает накопление ошибки в одну секунду за несколько сот миллионов лет.

Раз в атомных часах используются цезий и стронций, они радиоактивны?

Нет, радиоактивность атомных часов — это миф. Эти измерительные приборы не полагаются на ядерный распад: как и в обычных часах, в них присутствует пружина (только электростатическая) и даже кристалл кварца. Однако колебания в них происходят не в кристалле, а в ядре атома между окружающими его электронами.

Ничего не понимаем! Как же тогда работают атомные часы?

Расскажем о самых стабильных, цезиевых часах. Измерительный прибор состоит из радиоактивной камеры, кварцевого генератора, детектора, нескольких тоннелей для атомов цезия и магнитных фильтров, которые сортируют атомы низкой и высокой энергии.

Прежде чем попасть в тоннели, хлорид цезия нагревается. Это создает газовый поток ионов цезия, которые затем проходят через фильтр — магнитное поле. Оно разделяет атомы на два подпотока: с высокой и низкой энергией.

Низкоэнергетичный поток атомов цезия проходит через радиационную камеру, где происходит облучение с частотой 9 192 631 770 циклов в секунду. Это значение совпадает с резонансной частотой атомов цезия и заставляет их изменить энергетическое состояние.

Цезиевые атомные часы. Фото: NPL

Следующий фильтр отделяет низкоэнергетичные атомы от высокоэнергетичных — последние остаются в случае, если произошло смещение частоты излучения. Чем ближе частота облучения к резонансной частоте атомов, тем больше атомов станут высокоэнергетическими и попадут на детектор, который преобразует их в электричество. Ток необходим для работы кварцевого генератора — он отвечает за длину волны в радиационной камере, — а значит за то, чтобы цикл повторился вновь.

Предположим, кварцевый генератор теряет свою энергию. Как только это происходит, излучение в камере ослабевает. Следовательно, количество атомов цезия, переходящих в состояние высокой энергии, падает. Это дает сигнал резервной электрической цепи отключить генератор и скорректировать период колебаний, тем самым фиксируя частоту в очень узком диапазоне. Затем эта фиксированная частота делится на 9 192 631 770, что приводит к формированию импульса, отсчитывающего секунду.

Если атомные часы тоже зависят от кварцевого кристалла, в чем тогда прорыв?

Действительно, кварцевый генератор — самое слабое место цезиевых атомных часов. С момента создания первого такого измерительного прибора исследователи ищут способ отказаться от компонента — в том числе за счет экспериментов с различными щелочными и щелочноземельными металлами, помимо цезия.

Например, в конце 2017 года ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) создали в качестве основы для атомных часов трехмерную решетку из 3 тыс. атомов стронция.

Исследователям удалось доказать, что увеличение числа атомов в решетке приводит к увеличению точности часов, а при максимальном количестве атомов точность составила погрешность в одну секунду за 15 млрд лет (примерно столько прошло со времен Большого взрыва).

Но стабильность работы стронциевых часов еще предстоит проверить — сделать это можно только со временем. Пока ученые берут за основу для измерений показания цезиевых атомных часов с кварцевым кристаллом внутри.

Цезиевые атомные часы с цезиевым фонтаном NPL-CsF3. Фото: NIST

Ясно! Значит, скоро атомные часы станут обычным делом?

Маловероятно. Проблема заключается в том, что точность атомных часов регулируется принципом неопределенности Гейзенберга. Чем выше точность частоты излучения, тем выше фазовый шум, и наоборот. Повышение фазового шума означает, что необходимо усреднить множество циклов для достижения необходимого уровня точности частоты. Это делает разработку и поддержание работоспособности атомных часов довольно дорогими для массового использования.

Сейчас атомные часы установлены на базовых станциях мобильной связи и в сервисах точного времени. Без них была бы невозможна работа навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС), в которых расстояние до точки определяется по времени приема сигнала от спутников. Кварцевые кристаллы являются доминирующим решением. Даже в дорогостоящем испытательном оборудовании, таком как осциллограф серии Keysight UXR1104A Infiniium UXR: 110 ГГц, четыре канала (цена не указана, но она находится в диапазоне $1 млн) используют стабилизированные в печи кристаллы кварца для эталонов, стабильных во времени.

Однако в большинстве случаев использование простого кварцевого кристалла будет дешевле и эффективнее, — потому что кварц имеет гораздо лучшее соотношение точности частоты к фазовому шуму. Поэтому атомные часы необходимы только в случае, когда нужно иметь заданную точность частоты в течение продолжительного времени — десятков и сотен лет. Такие случаи крайне редки — и вряд ли действительно необходимы обычному человеку, а не ученому.

Атомные часы как работают. Компактные атомные часы

Исидор Раби, профессор физики из Колумбийского университета, предложил невиданный доселе проект: часы, работающие по принципу атомного пучка магнитного резонанса. Это произошло в 1945 году, а уже в 1949 Национальное бюро стандартов выпустило первый работающий прототип. В нем считывались колебания молекулы аммиака. Цезий пошел в дело гораздо позже: модель NBS-1 появилась только в 1952 году.

Национальная физическая лаборатория в Англии создала первые часы на основе пучка цезия в 1955 году. Десять с лишним лет спустя, во время Генеральной конференции по мерам и весам были представлены более совершенные часы, также работающие на основе вибраций в атоме цезия. Модель NBS-4 использовалась до 1990 года.

Типы часов

На данный момент существует три типа атомных часов, которые работают примерно по одному и тому же принципу. Цезиевые часы, самые точные, разделяют атом цезия магнитным полем. Самые простые атомные часы, рубидиевые, используют рубидиевый газ, заключенный в стеклянную колбу. И, наконец, водородные атомные часы берут за точку отсчета атомы водорода, закрытые в оболочке из специального материала — он не дает атомам быстро терять энергию.

Который час

В 1999 году Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) предложил еще более совершенную версию атомных часов. Модель NIST-F1 допускает погрешность всего на одну секунду в двадцать миллионов лет.

Самые точные

Но физики из NIST не остановились на достигнутом. Ученые решили разработать новый хронометр, на этот раз на основе атомов стронция. Новые часы работают на 60% предыдущей модели, а это значит, что они теряют одну секунду не за двадцать миллионов лет, а за целых пять миллиардов.

Измерение времени

Международное соглашение определило единственно точную частоту для резонанса частицы цезия. Это 9 192 631 770 герц — при делении выходящего сигнала на это число получается ровно один цикл в секунду.

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

Атомные часы: описание и принцип работы

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

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

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

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

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

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

Как работает прибор?

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

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

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

квантовый дискриминатор;
генератор из кварца;
электроника.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Исторические факты об использовании часов

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

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

Архив Статьи

Какие «часовщики» придумали и совершенствовали этот чрезвычайно точный механизм? Есть ли ему замена? Попробуем разобраться.

В 2012 году атомное хронометрирование будет праздновать своё сорокапятилетие. В 1967 году категория времени в Международной системе единиц стала определяться не астрономическими шкалами, а цезиевым стандартом частоты. Именно его в простонародье и именуют атомными часами.

Каков же принцип работы атомных осцилляторов? В качестве источника резонансной частоты эти «устройства» используют квантовые энергетические уровни атомов или молекул. Квантовая механика связывает с системой «атомное ядро — электроны» несколько дискретных энергетических уровней. Электромагнитное поле определённой частоты может спровоцировать переход этой системы с низкого уровня на более высокий. Возможно и обратное явление: атом может перейти с высокого энергетического уровня на более низкий с излучением энергии. И тем и другим явлением можно управлять и фиксировать эти энергетические межуровневые скачки, создав тем самым подобие колебательного контура. Резонансная частота этого контура будет равна разности энергий двух уровней перехода, делённой на постоянную Планка .

Получаемый при этом атомный осциллятор обладает несомненными преимуществами по отношению к своим астрономическим и механическим предшественникам. Резонансная частота всех атомов выбранного для осциллятора вещества будет, в отличие от маятников и пьезокристаллов, одинакова. Кроме того, атомы с течением времени не изнашиваются и не меняют свои свойства. Идеальный вариант для практически вечного и чрезвычайно точного хронометра.

Впервые возможность использования межуровневых энергетических переходов в атомах в качестве стандарта частоты в далёком 1879 году рассмотрел британский физик Уильям Томсон, более известный как лорд Келвин . В качестве источника атомов-резонаторов он предлагал использовать водород. Однако его изыскания носили скорее теоретический характер. Наука того времени ещё не была готова к разработке атомного хронометра.

Потребовалось почти сто лет, чтобы идея лорда Келвина обрела практическое воплощение. Срок немалый, но и задачка была не из лёгких. Превратить атомы в идеальные маятники на практике оказалось труднее, чем в теории. Сложность заключалась в битве с так называемой резонансной шириной — небольшим колебанием частоты поглощения и испускания энергии при переходе атомов с уровня на уровень. Отношение резонансной частоты к резонансной ширине и определяет качество атомного осциллятора. Очевидно, что чем больше значение резонансной ширины, тем ниже качество атомного маятника. К сожалению, повысить резонансную частоту для улучшения качества невозможно. Она постоянна для атомов каждого конкретного вещества. А вот уменьшить резонансную ширину можно путём увеличения времени наблюдения за атомами.

Технически этого можно добиться следующим образом: пусть внешний, например кварцевый, осциллятор периодически генерирует электромагнитное излучение, заставляющее атомы вещества-донора прыгать по энергетическим уровням. При этом задачей настройщика атомного хронографа является максимальное приближение частоты этого кварцевого осциллятора к резонансной частоте межуровневого перехода атомов. Возможным это становится в случае достаточно большого периода наблюдения за колебаниями атомов и создания обратной связи, регулирующей частоту кварца.

Правда, кроме проблемы снижения резонансной ширины в атомном хронографе существует масса других проблем. Это и допплеровский эффект — смещение резонансной частоты вследствие движения атомов, и взаимные столкновения атомов, вызывающие незапланированные энергетические переходы, и даже влияние всепроникающей энергии тёмной материи.

Впервые попытка практической реализации атомных часов была предпринята в тридцатые годы прошлого столетия учёными Колумбийского университета под руководством будущего нобелевского лауреата доктора Айсидора Раби . В качестве вещества — источника атомов-маятников Раби предложил использовать изотоп цезия 133 Cs. К сожалению, работы Раби, очень заинтересовавшие NBS, были прерваны Второй мировой войной.

После её окончания первенство реализации атомного хронографа перешло к сотруднику NBS Гарольду Лайонсу. Его атомный осциллятор работал на аммиаке и давал погрешность, соизмеримую с лучшими образцами кварцевых резонаторов. В 1949 году аммиачные атомные часы были продемонстрированы широкой публике. Несмотря на довольно посредственную точность, в них были реализованы основные принципы будущих поколений атомных хронографов.

Полученный Луи Эссеном прототип цезиевых атомных часов обеспечивал точность 1*10 -9 , обладая при этом шириной резонанса всего в 340 Герц

Чуть позже профессор Гарвардского университета Норман Рэмси усовершенствовал идеи Айсидора Раби, снизив влияние на точность измерений допплеровского эффекта. Он предложил вместо одного длительного высокочастотного импульса, возбуждающего атомы, использовать два коротких, посланных в плечи волновода на некотором расстоянии друг от друга. Это позволило резко снизить резонансную ширину и фактически сделало возможным создание атомных осцилляторов, на порядок превосходящих по точности своих кварцевых предков.

В пятидесятые годы прошлого столетия на основе схемы, предложенной Норманом Рэмси, в Национальной физической лаборатории (Великобритания) её сотрудник Луи Эссен вёл работу над атомным осциллятором на основе предложенного ранее Раби изотопа цезия 133 Cs. Цезий был выбран неслучайно.

Схема сверхтонких уровней перехода атомов изотопа цезия-133

Относясь к группе щелочных металлов, атомы цезия чрезвычайно просто возбуждаются для скачка между энергетическими уровнями . Так, например, пучок света легко способен выбить из атомной структуры цезия поток электронов. Именно благодаря этому свойству цезий широко применяется в составе фотодетекторов.

Устройство классического цезиевого осциллятора на основе волновода Рэмси

Первый официальный цезиевый стандарт частоты NBS-1

Потомок NBS-1 — осциллятор NIST-7 использовал лазерную накачку луча атомов цезия

Чтобы прототип Эссена стал настоящим стандартом, потребовалось более четырёх лет. Ведь точная настройка атомных часов была возможна только путём сравнения с существующими эфемеридными единицами времени. В течение четырёх лет атомный осциллятор калибровался с помощью наблюдений за вращением Луны вокруг Земли с помощью точнейшей лунной камеры, изобретённой сотрудником Военно-морской обсерватории США Уильямом Марковицем.

«Подгонка» атомных часов по лунным эфемеридам велась с 1955 по 1958 год, после чего устройство было официально признано NBS в качестве стандарта частоты. Более того, беспрецедентная точность цезиевых атомных часов сподвигла NBS сменить в стандарте SI единицу измерения времени. С 1958 года в качестве секунды официально была принята «продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующая переходу между двумя сверхтонкими уровнями стандартного состояния атома изотопа цезия-133».

Устройство Луи Эссена получило наименование NBS-1 и стало считаться первым цезиевым стандартом частоты.

За последующие тридцать лет были разработаны шесть модификаций NBS-1, последняя из которых — NIST-7, созданная в 1993 году благодаря замене магнитов на лазерные ловушки, обеспечивает точность 5*10 -15 при резонансной ширине всего шестьдесят два Герца.

Сравнительная таблица характеристик цезиевых стандартов частоты, используемых NBS

Цезиевый стандарт частоты	Время функционирования	Время работы в качестве официального стандарта NPFS	Резонансная ширина	Длина СВЧ-волновода	Величина погрешности
NBS-1	1952-1962	1959-1960	300 Гц	55 см	1*10 -11
NBS-2	1959-1965	1960-1963	110 Гц	164 см	8*10 -12
NBS-3	1959-1970	1963-1970	48 Гц	366 см	5*10 -13
NBS-4	1965-1990-e	нет	130 Гц	52,4 см	3*10 -13
NBS-5	1966-1974	1972-1974	45 Гц	374 см	2*10 -13
NBS-6	1974-1993	1975-1993	26 Гц	374 см	8*10 -14
NBS-7	1988-2001	1993-1998	62 Гц	155 см	5*10 -15

Устройства NBS являются стационарными стендами, что позволяет отнести их скорее к эталонам, чем к практически используемым осцилляторам. А вот для сугубо практических целей на благо цезиевого стандарта частоты поработала компания Hewlett-Packard. В 1964 году будущий компьютерный гигант создал компактный вариант цезиевого стандарта частоты — устройство HP 5060A.

Откалиброванные с использованием эталонов NBS, частотные стандарты HP 5060 умещались в типовую стойку радиооборудования и имели коммерческий успех. Именно благодаря цезиевому стандарту частоты, заданному в Hewlett-Packard, беспрецедентная точность атомных часов пошла в широкие массы.

Hewlett-Packard 5060A.

В результате стали возможны такие вещи, как спутниковое телевидение и связь, глобальные системы навигации и службы синхронизации времени информационных сетей. Применений доведённой до промышленного образца технологии атомного хронографа нашлось много. При этом в Hewlett-Packard не останавливались на достигнутом и постоянно улучшают качество цезиевых стандартов и их массо-габаритные показатели .

Семейство атомных часов компании Hewlett-Packard

В 2005 году подразделение Hewlett-Packard, отвечающее за разработку атомных часов, было продано компании Simmetricom .

Наряду с цезием, запасы которого в природе весьма ограничены, а спрос на него в самых разных технологических областях чрезвычайно велик, в качестве вещества-донора использовался рубидий, по свойствам очень близкий к цезию.

Казалось бы, существующая схема атомных часов доведена до совершенства. Между тем она имела досадный недостаток, устранение которого стало возможным во втором поколении цезиевых стандартов частоты, именуемых цезиевыми фонтанами.

Фонтаны времени и оптическая патока

Несмотря на высочайшую точность атомного хронометра NIST-7, использующего лазерное детектирование состояния атомов цезия, его схема принципиально не отличается от схем первых вариантов цезиевых стандартов частоты.

А конструктивным недостатком всех этих схем является то, что контролировать скорость распространения луча из атомов цезия, двигающихся в волноводе, принципиально невозможно. И это при том, что скорость движения атомов цезия при комнатной температуре — сто метров в секунду. Весьма быстро.

Именно поэтому все модификации цезиевых стандартов — это поиск баланса между размерами волновода, успевающего воздействовать на быстрые атомы цезия в двух точках, и точностью детектирования результатов этого воздействия. Чем меньше волновод, тем труднее успеть сделать последовательные электромагнитные импульсы, воздействующие на одни и те же атомы.

А что если найти способ снизить скорость движения атомов цезия? Именно этой мыслью озаботился студент Масачуссетского технологического института Джеролд Захариус , изучавший в конце сороковых годов прошлого столетия влияние силы тяжести на поведение атомов. Позднее, привлечённый к разработке варианта цезиевого стандарта частоты Atomichron , Захариус предложил идею цезиевого фонтана — способа, позволяющего снизить скорость движения атомов цезия до одного сантиметра в секунду и избавиться от двухколенного волновода традиционных атомных осцилляторов.

Идея Захариуса была проста. Что если запускать атомы цезия внутри осциллятора вертикально? Тогда одни и те же атомы будут дважды проходить через детектор: первый раз при путешествии вверх, а второй — вниз, куда они устремятся под действием силы тяжести. При этом движение атомов вниз будет существенно медленнее их взлёта, ведь за время путешествия в фонтане они подрастеряют энергию. К сожалению, в пятидесятые годы прошлого столетия реализовать свои идеи Захариус не смог. В его экспериментальных установках атомы, двигавшиеся вверх, взаимодействовали с падающими вниз, что сбивало точность детектирования.

К идее Захариуса вернулись только в восьмидесятые годы. Учёные Стенфордского университета под руководством Стивена Чу нашли способ реализации фонтана Захариуса с использованием метода, названного ими «оптическая патока».

В цезиевом фонтане Чу облако атомов цезия, выстреливаемых вверх, предварительно охлаждается системой из трёх пар противоположно направленных лазеров, имеющих резонансную частоту чуть ниже оптического резонанса атомов цезия.

Схема цезиевого фонтана с оптической патокой.

Охлаждённые лазерами атомы цезия начинают двигаться медленно, словно сквозь патоку. Их скорость падает до трёх метров в секунду. Уменьшение скорости атомов даёт исследователям возможность более точного детектирования состояния (согласитесь, значительно проще рассмотреть номера машины, двигающейся со скоростью один километр в час, чем машины, двигающейся со скоростью сто километров в час).

Шар из охлаждённых атомов цезия запускается вверх примерно на метр, по пути проходя волновод, через который на атомы воздействует электромагнитное поле резонансной частоты. И детектор системы фиксирует изменение состояния атомов в первый раз. Достигнув «потолка», охлаждённые атомы начинают падать благодаря силе тяжести и проходят волновод во второй раз. На обратном пути детектор снова фиксирует их состояние. Поскольку атомы двигаются чрезвычайно медленно, их полёт в виде достаточно плотного облака легко контролировать, а значит, в фонтане не будет одновременно летящих вверх и вниз атомов.

Установка Чу на основе цезиевого фонтана была принята NBS в качестве стандарта частоты в 1998 году и получила название NIST-F1. Её погрешность составляла 4*10 -16 , а значит, NIST-F1 была точнее предшественника NIST-7.

Фактически в NIST-F1 был достигнут предел точности измерений состояния атомов цезия. Но учёные на этой победе не остановились. Они решили устранить погрешность, которую вносит в работу атомных часов излучение абсолютно чёрного тела — результат взаимодействия атомов цезия с тепловым излучением корпуса установки, в которой они двигаются. В новом атомном хронографе NIST-F2 цезиевый фонтан размещался в криогенной камере, сводя излучение абсолютно чёрного тела практически к нулю. Погрешность NIST-F2 равна невероятной величине 3*10 -17 .

График уменьшения погрешности вариантов цезиевых стандартов частоты

В настоящее время атомные часты на основе цезиевых фонтанов дают человечеству точнейший эталон времени, относительно которого бьётся пульс нашей техногенной цивилизации. Благодаря инженерным ухищрениям импульсные водородные мазеры, которые охлаждают атомы цезия в стационарных вариантах NIST-F1 и NIST-F2, были заменены на обычный лазерный луч, работающий в паре с магнитооптической системой. Это позволило создать компактные и очень устойчивые ко внешним воздействиям варианты стандартов NIST-Fx, способные трудиться в космических аппаратах. Весьма образно названные «Aerospace Cold Atom Clock «, эти стандарты частоты установлены в спутниках таких навигационных систем, как GPS, что и обеспечивает их потрясающую синхронизацию для решения задачи очень точного вычисления координат приёмников GPS, используемых в наших гаджетах.

Компактный вариант атомных часов на основе цезиевого фонтана, называемый «Aerospace Cold Atom Clock», используется в спутниках системы GPS

Вычисление эталонного времени выполняется «ансамблем» из десяти NIST-F2, расположенных в различных исследовательских центрах, сотрудничающих с NBS. Точное значение атомной секунды получается коллегиально, и тем самым устраняются различные погрешности и влияние человеческого фактора.

Однако не исключено, что однажды цезиевый стандарт частоты будет восприниматься нашими потомками как весьма грубый механизм измерения времени, подобно тому, как ныне мы снисходительно смотрим на движения маятника в механических напольных часах наших предков.

Атомные часы являются наиболее точными приборами для измерения времени, которые существуют сегодня, и приобретают все большее значение с развитием и усложнением современных технологий.

Принцип работы

Атомные часы точное время отсчитывают не благодаря радиоактивному распаду, как может показаться по их названию, а используя колебания ядер и окружающих их электронов. Их частоту определяет масса ядра, гравитация и электростатический «балансир» между положительно заряженным ядром и электронами. Это не совсем соответствует обычному часовому механизму. Атомные часы являются более надежными хранителями времени, потому что их колебания не изменяются в зависимости от таких факторов окружающей среды, как влажность, температура или давление.

Эволюция атомных часов

За многие годы ученые поняли, что атомы обладают резонансными частотами, связанными со способностью каждого поглощать и испускать электромагнитное излучение. В 1930-х и 1940-х годах было разработано оборудование для высокочастотной связи и РЛС, которое могло взаимодействовать с частотами резонанса атомов и молекул. Это способствовало возникновению идеи часов.

Первые экземпляры были построены в 1949 году Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). В качестве источника вибрации в них использовался аммиак. Однако они оказались ненамного точнее существующего стандарта времени, и в следующем поколении был применен цезий.

Новый стандарт

Изменение точности измерения времени оказалось настолько большим, что в 1967 году Генеральная конференция по мерам и весам определила секунду SI как 9 192 631 770 колебаний атома цезия на его резонансной частоте. Это означало, что время больше не было связано с движением Земли. Наиболее стабильные атомные часы в мире были созданы в 1968 году и использовались в качестве части системы отсчета времени NIST вплоть до 1990-х годов.

Вагон усовершенствований

Одним из последних достижений в этой области является лазерное охлаждение. Это улучшило отношение сигнал — шум и сократило неопределенность в тактовом сигнале. Для размещения этой системы охлаждения и другого оборудования, используемого для улучшения цезиевых часов, потребуется место размером с железнодорожный вагон, хотя коммерческие варианты могут поместиться в чемодане. Одна из таких лабораторных установок отсчитывает время в г. Боулдере, штат Колорадо, и является самыми точными часами на Земле. Они ошибаются лишь на 2 наносекунды в день или на 1 с в 1,4 млн лет.

Сложная технология

Такая огромная точность является результатом сложного технологического процесса. Прежде всего жидкий цезий помещают в печь и нагревают до тех пор, пока он не превратится в газ. Атомы металла на высокой скорости выходят через небольшое отверстие в печи. Электромагниты заставляют их разделиться на отдельные пучки с разными энергиями. Необходимый луч проходит через U-образное отверстие, и атомы подвергаются облучению энергией микроволнового излучения частотой 9.192.631.770 Гц. Благодаря этому они возбуждаются и переходят в другое энергетическое состояние. Затем магнитное поле отфильтровывает другие энергетические состояния атомов.

Детектор реагирует на цезий и показывает максимум при правильном значении частоты. Это необходимо для настройки кварцевого генератора, управляющего механизмом тактирования. Деление его частоты на 9.192.631.770 и дает один импульс в секунду.

Не только цезий

Хотя наиболее распространенные атомные часы используют свойства цезия, есть и другие их типы. Они отличаются применяемым элементом и средствами определения изменения энергетического уровня. Другими материалами являются водород и рубидий. Атомные часы на водороде функционируют подобно цезиевым, но требуют емкости со стенками из особого материала, препятствующего слишком быстрой потере атомами энергии. Рубидиевые часы наиболее просты и компактны. В них стеклянная ячейка, заполненная газообразным рубидием, изменяет поглощение света при воздействии сверхвысокой частоты.

Кому необходимо точное время?

Сегодня время можно отсчитывать с особой точностью, но почему это важно? Это необходимо в таких системах, как мобильные телефоны, интернет, GPS, авиационные программы и цифровое телевидение. На первый взгляд это не очевидно.

Пример того, как используется точное время, — синхронизация пакетов. Через среднюю линию связи проходят тысячи телефонных звонков. Это возможно только потому, что разговор не передается полностью. Телекоммуникационная компания разделяет его на мелкие пакеты и даже пропускает часть информации. Затем они проходят через линию вместе с пакетами других разговоров и на другом конце восстанавливаются, не смешиваясь. Система тактирования телефонной станции может определять, какие пакеты принадлежат данному разговору, по точному времени отправки информации.

GPS

Другой реализацией точного времени является система глобального позиционирования. Она состоит из 24 спутников, которые передают свои координаты и время. Любой приемник GPS может соединиться с ними и сравнить время трансляции. Разница позволяет пользователю определить свое местоположение. Если бы эти часы были не очень точными, то система GPS была бы непрактичной и ненадежной.

Предел совершенства

С развитием технологий и атомных часов стали заметны неточности Вселенной. Земля движется неравномерно, что приводит к случайным колебаниям продолжительности лет и дней. В прошлом эти изменения остались бы незамеченными, поскольку инструменты для измерения времени были слишком неточны. Однако, к большому разочарованию исследователей и ученых, время атомных часов приходится корректировать для компенсации аномалий реального мира. Они являются удивительными инструментами, способствующими продвижению современных технологий, но их совершенство ограничено пределами, установленными самой природой.

В 21 веке спутниковая навигация развивается стремительными темпами. Можно определить положение любых объектов, которые хоть как-то связаны со спутниками, будь то мобильный телефон, автомобиль или космический корабль. Но ничего этого нельзя было бы достичь без атомных часов.
Также эти часы используются в различных телекоммуникациях, например, в мобильной связи. Это самые точные часы, которые когда-либо были, есть и будут.
Без них интернет был бы не синхронизирован, мы не знали бы расстояние до других планет и звезд и т.д.
В часах за секунду принимается 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, которое возникло при переходе между двумя энергетическими уровнями атома цезия-133. Такие часы называются цезиевыми. Но это только один из трех видов атомных часов. Еще есть водородные и рубидиевые часы. Однако, цезиевые часы используются чаще всего, поэтому не будем останавливаться на других видах.

Принцип работы цезиевых атомных часов

Лазер нагревает атомы изотопа цезия и в это время, встроенный резонатор регистрирует все переходы атомов. И, как было сказано ранее, после достижения 9 192 631 770 переходов, отсчитывается одна секунда.

Лазер, встроенный в корпус часов, нагревает атомы изотопа цезия. В это время резонатор регистрирует количество переходов атомов на новый энергетический уровень. Когда достигается определенная частота, а именно 9 192 631 770 переходов (Гц), то отсчитывается секунда, основываясь на международной системе СИ.

Использование в спутниковой навигации

Процесс определения точного местоположения того или иного объекта с помощью спутника весьма непрост. В этом участвует несколько спутников, а именно более 4 на один приемник (например, GPS навигатор в автомобиле).

В каждом спутнике установлены высокоточные атомные часы, радиопередатчик спутника и цифровой генератор кода. Радиопередатчик посылает на Землю цифровой код и информацию о спутнике, а именно параметры орбиты, модель и т.д.

Часы определяют, за какое время этот код дошел до приемника. Таким образом, зная скорость распространения радиоволн, вычисляется расстояние до приемника на Земле. Но одного спутника для этого мало. Современные GPS приемники могут принимать сигналы от 12 спутников одновременно, что позволяет определить местоположение объекта с точностью до 4-х метров. Кстати, стоит отметить, что GPS навигаторы не требуют абонентской платы.

Атомные часы точное. Как работают атомные часы? Принцип работы цезиевых атомных часов

В прошлом, 2012 году, исполнилось сорок пять лет с того момента, когда человечество решило использовать атомное хронометрирование для максимально точного измерения времени. В 1967 году в Международной категория времени перестала определяться астрономическими шкалами — на смену им пришел цезиевый стандарт частоты. Именно он и получил популярное нынче название — атомные часы. Точное время, которое они позволяют определить, имеет ничтожную погрешность в одну секунду за три миллиона лет, что позволяет использовать их в роли стандарта времени в любом уголке мира.

Немного истории

Сама идея использовать колебания атомов для сверхточного измерения времени впервые была высказана еще в 1879 году британским физиком Уильямом Томсоном. В роли излучателя атомов-резонаторов этот ученый предлагал применить водород. Первые попытки реализовать идею на практике предпринимались лишь в 40-х гг. двадцатого века. А первые в мире работающие атомные часы появились в 1955 году в Великобритании. Их создателем стал британский физик-экспериментатор доктор Луи Эссен. Работали эти часы на основе колебаний атомов цезия-133 и благодаря им ученые наконец смогли измерять время с намного большей точностью, чем было до этого. Первый прибор Эссена допускал погрешность не более секунды на каждые сто лет, однако впоследствии многократно увеличилась и погрешность в секунду может набежать лишь за 2-3 сотни миллионов лет.

Атомные часы: принцип работы

Как же работает это хитроумное «устройство»? В качестве генератора резонансной частоты атомные часы применяют молекул или атомов на квантовом уровне. устанавливает связь системы «атомное ядро — электроны» с несколькими дискретными энергетическими уровнями. Если на такую систему будет воздействовать со строго заданной частотой, то произойдет переход данной системы с низкого уровня на высокий. Возможен также и обратный процесс: переход атома с более высокого уровня на низкий, сопровождаемый излучением энергии. Эти явления можно контролировать и фиксировать все энергетические скачки, создав что-то вроде колебательного контура (его еще называют атомным осциллятором). Его резонансная частота будет соответствовать разности энергий соседних уровней перехода атомов, разделенной на константу Планка.

Такой колебательный контур имеет неоспоримые достоинства по сравнению со своими механическими и астрономическими предшественниками. Для одного такого атомного осциллятора резонансная частота атомов какого-либо вещества будет одинакова, чего нельзя сказать о маятниках и пьезокристаллах. К тому же, атомы не меняют со временем своих свойств и не изнашиваются. Поэтому атомные часы являются чрезвычайно точным и практически вечным хронометром.

Точное время и современные технологии

Телекоммуникационные сети, спутниковая связь, GPS, NTP-сервера, электронные транзакции на бирже, интернет-аукционы, процедура покупки билетов через интернет — все эти и многие другие явления давно уже прочно вошли в нашу жизнь. А ведь если бы человечество не изобрело атомные часы, всего бы этого попросту не было. Точное время, синхронизация с которым позволяет свести к минимуму любые ошибки, задержки и опоздания, дает возможность человеку максимально полно использовать этот бесценный невосполнимый ресурс, которого никогда не бывает слишком много.

Атомные часы: описание и принцип работы

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

Как работает прибор?

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

квантовый дискриминатор;
генератор из кварца;
электроника.

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

Исторические факты об использовании часов

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

Когда внезапно отключается свет и чуть позже появляется, как вы узнаете, какое время на часах нужно выставлять? Да, я про электронные часы, которые наверняка у многих из нас есть. Вы хотя бы раз задумывались о том, как регулируется время? В этой статье мы узнаем все об атомных часах и о том, как они заставляют весь мир тикать.

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.

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.

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

tvroscosmos

Типы часов

Который час

Самые точные

Измерение времени

Ученые впервые сверили всемирные атомные часы по звездам

https://ria.ru/20201009/chasy-1579049125.html

Ученые впервые сверили всемирные атомные часы по звездам

Ученые впервые сверили всемирные атомные часы по звездам — РИА Новости, 09.10.2020

Ученые впервые сверили всемирные атомные часы по звездам

Астрономы и эксперты по точному времени, объединив свои усилия, создали новую систему более точной сверки атомных часов по всему миру по радиосигналам,… РИА Новости, 09.10.2020

2020-10-09T15:45

2020-10-09T15:46

наука

астрономия

япония

космос — риа наука

физика

земля

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/07e4/0a/09/1579041749_0:19:1440:829_1920x0_80_0_0_b2b00ae822e35968671870dc5b089c4d.jpg

МОСКВА, 9 окт — РИА Новости. Астрономы и эксперты по точному времени, объединив свои усилия, создали новую систему более точной сверки атомных часов по всему миру по радиосигналам, исходящим от далеких звезд. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.Атомные часы — прибор для измерения времени, в котором в качестве эталона используют колебания, происходящие на уровне атомов или молекул. Международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя уровнями основного состояния атома цезия-133. Такая точность нужна для определения положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, беспилотных автомобилей. Атомные часы используются в системах спутниковой и наземной телекоммуникаций, в базовых станциях мобильной связи, а также международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио. В частности, международное время, рекомендованное для использования в гражданских целях — UTC, или всемирное координированное время — ежедневно рассчитывается Международным бюро мер и весов (BIPM) во Франции на основе сверки атомных часов по всей планете через спутниковую связь.Однако у этого метода есть свои погрешности — современные оптические атомные часы, созданные на основе лазеров, взаимодействующих с ультрахолодными атомами, обеспечивают большую точность, чем спутниковая связь, которая их связывает.Астрономы и эксперты по точному времени из Национального института информационных и коммуникационных технологий Японии (NICT), Национального института метрологии Италии (INRIM), Национального института астрофизики Италии (INAF) и бюро BIPM предложили в качестве источников опорных сигналов для сверки атомных часов использовать волны внегалактических радиоисточников.Для этого исследователи под руководством Мамуру Секидо (Mamoru Sekido) из NICT для реализации техники интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI) разработали два специальных радиотелескопа, один из которых был развернут в Японии, а другой в Италии. Эти телескопы могут вести наблюдения в широком диапазоне частот, а антенны диаметром всего 2,4 метра позволяют их перемещать.»Мы хотим показать, что широкополосный VLBI может стать мощным инструментом не только в геодезии и астрономии, но и в метрологии», — приводятся в пресс-релизе NICT слова Секидо.Чтобы достичь требуемой чувствительности, во время тестовых испытаний, проводимых с 14 октября 2018 года по 14 февраля 2019 года, маленькие антенны работали в тандеме с более крупным 34-метровым радиотелескопом в Кашиме, Япония.Целью было соединить оптические часы, расположенные на разных континентах, на расстоянии 8700 километров друг от друга, и работающие, к тому же, на разных атомных источниках. Часы в INRIM в Италии используют иттербий, а часы в NICT в Японии — стронций. Кстати, и те, и другие — кандидаты на будущее переопределение секунды в Международной системе единиц (СИ).»Сегодня новое поколение оптических часов требует пересмотра определения секунды, — говорит Давиде Калонико (Davide Calonico), координатор исследований в INRIM. — Путь к переопределению столкнется с проблемой сравнения часов во всем мире, в межконтинентальном масштабе, с более высокими характеристиками, чем сегодня».В качестве источников сигнала ученые взяли квазары, находящиеся на расстоянии миллиардов световых лет. Эти радиоисточники, питаемые черными дырами с массой в миллионы солнечных масс, настолько удалены от нас, что их можно, по мнению ученых, считать фиксированными точками в небе.Авторы полагают, что переносные антенны, подобные тем, что использовались в эксперименте, могут устанавливаться непосредственно в лабораториях, разрабатывающих оптические часы по всему миру, а также в национальных бюро точного времени.»VLBI позволит нам в Азии получить доступ к всемирному координированному времени, полагаясь на собственные измерения», — объясняет Тецуя Идо (Tetsuya Ido), директор Лаборатории космических стандартов и координатор исследований в NICT.Помимо улучшения международного хронометража, такой подход, по мнению авторов, открывает новые возможности изучения вариаций гравитационного поля Земли и фундаментальных констант, лежащих в основе физики и общей теории относительности.

https://ria.ru/20200817/1575892217.html

https://ria.ru/20200818/1575917036.html

япония

земля

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0a/09/1579041749_0:0:1387:1040_1920x0_80_0_0_6c9becca7588ef8f98d6b07a50f85316. jpg

1920

true

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

астрономия, япония, космос — риа наука, физика, земля

Наука, Астрономия, Япония, Космос — РИА Наука, Физика, Земля

МОСКВА, 9 окт — РИА Новости. Астрономы и эксперты по точному времени, объединив свои усилия, создали новую систему более точной сверки атомных часов по всему миру по радиосигналам, исходящим от далеких звезд. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.

Атомные часы — прибор для измерения времени, в котором в качестве эталона используют колебания, происходящие на уровне атомов или молекул. Международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя уровнями основного состояния атома цезия-133.

Такая точность нужна для определения положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, беспилотных автомобилей. Атомные часы используются в системах спутниковой и наземной телекоммуникаций, в базовых станциях мобильной связи, а также международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

В частности, международное время, рекомендованное для использования в гражданских целях — UTC, или всемирное координированное время — ежедневно рассчитывается Международным бюро мер и весов (BIPM) во Франции на основе сверки атомных часов по всей планете через спутниковую связь.

Однако у этого метода есть свои погрешности — современные оптические атомные часы, созданные на основе лазеров, взаимодействующих с ультрахолодными атомами, обеспечивают большую точность, чем спутниковая связь, которая их связывает.

Астрономы и эксперты по точному времени из Национального института информационных и коммуникационных технологий Японии (NICT), Национального института метрологии Италии (INRIM), Национального института астрофизики Италии (INAF) и бюро BIPM предложили в качестве источников опорных сигналов для сверки атомных часов использовать волны внегалактических радиоисточников.

17 августа 2020, 18:00Наука

Физики впервые наблюдали взаимодействие «кристаллов времени»

Для этого исследователи под руководством Мамуру Секидо (Mamoru Sekido) из NICT для реализации техники интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI) разработали два специальных радиотелескопа, один из которых был развернут в Японии, а другой в Италии. Эти телескопы могут вести наблюдения в широком диапазоне частот, а антенны диаметром всего 2,4 метра позволяют их перемещать.

«Мы хотим показать, что широкополосный VLBI может стать мощным инструментом не только в геодезии и астрономии, но и в метрологии», — приводятся в пресс-релизе NICT слова Секидо.

Чтобы достичь требуемой чувствительности, во время тестовых испытаний, проводимых с 14 октября 2018 года по 14 февраля 2019 года, маленькие антенны работали в тандеме с более крупным 34-метровым радиотелескопом в Кашиме, Япония.

Целью было соединить оптические часы, расположенные на разных континентах, на расстоянии 8700 километров друг от друга, и работающие, к тому же, на разных атомных источниках. Часы в INRIM в Италии используют иттербий, а часы в NICT в Японии — стронций. Кстати, и те, и другие — кандидаты на будущее переопределение секунды в Международной системе единиц (СИ).

«Сегодня новое поколение оптических часов требует пересмотра определения секунды, — говорит Давиде Калонико (Davide Calonico), координатор исследований в INRIM. — Путь к переопределению столкнется с проблемой сравнения часов во всем мире, в межконтинентальном масштабе, с более высокими характеристиками, чем сегодня».

В качестве источников сигнала ученые взяли квазары, находящиеся на расстоянии миллиардов световых лет. Эти радиоисточники, питаемые черными дырами с массой в миллионы солнечных масс, настолько удалены от нас, что их можно, по мнению ученых, считать фиксированными точками в небе.

Авторы полагают, что переносные антенны, подобные тем, что использовались в эксперименте, могут устанавливаться непосредственно в лабораториях, разрабатывающих оптические часы по всему миру, а также в национальных бюро точного времени.

«VLBI позволит нам в Азии получить доступ к всемирному координированному времени, полагаясь на собственные измерения», — объясняет Тецуя Идо (Tetsuya Ido), директор Лаборатории космических стандартов и координатор исследований в NICT.

Помимо улучшения международного хронометража, такой подход, по мнению авторов, открывает новые возможности изучения вариаций гравитационного поля Земли и фундаментальных констант, лежащих в основе физики и общей теории относительности.

18 августа 2020, 03:27Наука

Физики изучили условия, при которых не работает третий закон Ньютона

Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы

https://ria. ru/20171027/1507615279.html

Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы

Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы — РИА Новости, 27.10.2017

Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы

Что такое время? Режиссеры фантастических фильмов считают, что это некое измерение, по которому можно передвигаться. В реальном мире время определяется… РИА Новости, 27.10.2017

2017-10-27T08:00

2017-10-27T15:15

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/1507615279.jpg?10600167971509106510

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2017

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

МОСКВА, 27 окт — РИА Новости, Ольга Коленцова. Что такое время? Режиссеры фантастических фильмов считают, что это некое измерение, по которому можно передвигаться. В реальном мире время определяется положением предметов в пространстве. Теоретически, если мы сможем вернуть каждую частицу во Вселенной в состояние и положение, в котором она находилась в определенный момент, то совершим путешествие в прошлое.

25 октября 2017, 08:00

История-прошлое или история-идеология — как ими пользоваться

Итак, пока наши знания дают возможность определять время в зависимости от механических изменений, происходящих в мире. Например, один полный оборот Земли вокруг своей оси определяет день, а вокруг Солнца — год. Но у людей появилась необходимость разбить сутки на более маленькие и четко определяемые отрезки — часы, минуты, секунды.

Для отсчета этих единиц люди придумали особые устройства — часы. Их история длится века, а вместе с технологиями растут и требования к точности измерения времени. Если в быту мы отлично обходимся механическими и электронными часами, то наука требует куда более точных приборов.

Основой для подсчета времени служит некое повторяемое событие, когда объект возвращается в начальное состояние через строго определенный промежуток времени. Например, в механических часах крутятся шестеренки (или качается маятник), а в песочных часах наступает момент, когда все песчинки падают на дно сосуда.

Конечно, современные электронные и механические часы намного точнее их предшественников — водных, песочных и солнечных. Но а некоторых областях требовались еще более точные механизмы. И люди создали часы, работающие на основе процессов, происходящих внутри атома.

Как известно, атом состоит из ядра и электронного облака. Электроны располагаются на разных энергетических уровнях. Чем дальше электрон от ядра, тем большей энергией он обладает. Представьте собаку, привязанную к стальной балке прочным, но растяжимым поводком. Чем дальше она хочет отойти, тем сильнее ей надо натянуть поводок. Конечно, сильная крупная собака сможет отойти дальше, чем маленькая и слабая.

При переходе на уровень ниже электрон испускает энергию, а при переходе на более высокий уровень — поглощает. «Прыжками» электронов можно управлять при помощи электромагнитного излучения, являющегося источником энергии. Излучение имеет определенную частоту. Эта величина обратна периоду колебания, то есть времени, необходимому для возвращения совершающего «замкнутые» движения объекта в первоначальное состояние.

26 июня 2017, 18:02

Сверхъяркий лазер заставил электрон «нарушить» законы физики

Для атомных часов используют кальций, водород, тулий, стронций, рубидий, торий, йод и метан, а чаще всего — цезий. Электроны в атомных часах на основе цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 Гц. Именно на такое число промежутков делится секунда в этих природных часах. Согласно определению, официально принятому еще в 1967 году на Генеральной конференции по мерам и весам, атом цезия-133 признан стандартом для измерений времени. От точности секунды зависит подлинность других основных единиц физических величин, таких как, например, вольт или ватт, которые определяются через время.

Работают сверхточные часы так: цезий-133 нагревают, и некоторые атомы покидают основное вещество, а затем проходят через магнитное поле, которое отсеивает атомы с нужными энергетическими состояниями. Отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к частоте электромагнитного излучения при переходе электрона с одного уровня на другой в цезии-133. Под воздействием поля атомы меняют энергетические состояния и попадают на детектор, который фиксирует момент, когда нужным энергетическим состоянием будет обладать наибольшее количество атомов. Тогда значение частоты электромагнитного поля подается в делитель частоты, определяющий свою единицу посредством деления секунды. Получается «новая секунда», принимаемая за эталон минимальной единицы времени.

Сейчас самыми точными являются часы на основе атомов тория-229, созданные британскими учеными. Исследователи утверждают, что отставать эти часы будут на десятую долю секунды за 14 миллиардов лет!

Существуют и наручные атомные часы, представленные на площадке Kickstarter компанией Bathys Hawaii. В них используется маломощный лазер, нагревающий газообразный цезий-133, атомы которого переходят с одного энергетического уровня на другой. При этих переходах чип фиксирует периоды электромагнитного излучения. Правда, в качестве источника питания используется обычный литий-ионный аккумулятор.

Конечно, необходимость атомных часов в быту можно подвергнуть сомнению. Но они способны значительно повысить синхронизацию времени в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, а также помочь в научных исследованиях.

Где в быту используется атомное время.

Как функционируют атомные часы

Часто мы слышим фразу, что атомные часы всегда показывают точное время. Но из их названия сложно понять, почему атомные часы самые точные или как они устроены.

То, что в названии есть слово «атомные» вовсе не означает, что часы представляют собой опасность для жизни, даже если в голову сразу же приходят мысли об атомной бомбе или атомной электростанции. В данном случае мы всего лишь говорим о принципе работы часов. Если в обычных механических часах колебательные движения совершают шестеренки и ведется подсчет их движений, то в атомных часах ведется подсчет колебаний электронов внутри атомов. Чтобы лучше понять принцип работы, вспомним физику элементарных частиц.

Все вещества в нашем мире состоят из атомов. Атомы же состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны объединяются друг с другом в ядро, которое также называют нуклоном. Вокруг ядра движутся электроны, которые могут находиться на разных энергетических уровнях. Самое интересное, что при поглощении или отдаче энергии, электрон может переходить со своего энергетического уровня на более высокий или низкий. Электрон может получать энергию из электромагнитного излучения, при каждом переходе поглощая или испуская электромагнитное излучение определенной частоты.

Чаще всего встречаются часы, в которых для изменения используют атомы элемента Цезий -133. Если за 1 секунду маятник обычных часов
совершает 1 колебательное движение, то электроны в атомных часах
на основе Цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9192631770 Гц. Получается, именно на такое количество промежутков делится одна секунда, если её рассчитывать в атомных часах. Эта величина была официально принята международным сообществом в 1967 году. Представьте огромный циферблат, где находится не 60, а 9192631770 делений, которые составляют всего 1 секунду. Неудивительно, что атомные часы такие точные и обладают целым рядом преимуществ: атомы не подвержены старению, не изнашиваются, а частота колебания будет всегда одинаковой для одного химического элемента, благодаря чему можно синхронно сравнивать, например, показания атомных часов далеко в космосе и на Земле, не боясь погрешностей.

Благодаря атомным часам человечество на практике смогло проверить правильность теории относительности и удостовериться, что , чем на Земле. Атомные часы установлены на многих спутниках и космических аппаратах, они используются для телекоммуникационных нужд, для мобильной связи, по ним сравнивают точное время на всей планете. Без преувеличения, именно благодаря изобретению атомных часов человечество смогло войти в эпоху высоких технологий.

Как работают атомные часы?

Цезий-133 нагревают, выпаривая атомы цезия, которые проходит через магнитное поле, где отбираются атомы с нужным энергетическим состояниям.

Затем отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к 9192631770 Гц, которое создает кварцевый генератор. Под воздействием поля атомы цезия снова меняют энергетические состояния, и попадают на детектор, который фиксирует, когда наибольшее количество попадающих атомов будет обладать «правильным» энергетическим состоянием. Максимальное количество атомов с измененным энергетическим состоянием говорит о том, что частота микроволнового поля подобрана верно, и затем её значение подается в электронное устройство – делитель частоты, который, уменьшая частоту в целое число раз, получает число 1, которое и является эталонной секундой.

Таким образом, атомы цезия используются для проверки правильности частоты магнитного поля, создаваемой кварцевым генератором, помогая поддерживать ее в постоянном значении.

Это интересно:

хотя существующие на сегодняшний момент атомные часы беспрецедентно точно и могут миллионы лет идти без погрешностей, физики не собираются останавливаться на достигнутом. Используя атомы различных химических элементов, они постоянно работают над повышением точности атомных часов. Из последних изобретений – атомные часы на стронции
, которые в три раза точнее их цезиевого аналога. Чтобы отстать всего на секунду им потребуется 15 млрд. лет – время, превышающее возраст нашей Вселенной…

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter
.

tvroscosmos

Типы часов

Который час

Самые точные

Измерение времени

Как работают радиоуправляемые и атомные часы

Как работают радиоуправляемые и атомные часы — Объясните этот материал

Вы здесь:
Домашняя страница >
Инструменты, инструменты и измерения >
Радиоуправляемые и атомные часы

Дом
индекс А-Я
Случайная статья
Хронология
Учебное пособие
О нас
Конфиденциальность и файлы cookie

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 22 февраля 2021 г.

У вас могут быть самые дорогие часы в мире, но если они с самого начала настроены на неправильное время, они вам вообще ни к чему. Даже
действительно хорошие кварцевые часы изо всех сил стараются держать время лучше, чем
второй в день; если они отклонятся всего на пару секунд за 24
часов (удивительная точность 99,998 процента), и ошибки не компенсируются,
это может составлять до минуты в месяц или почти четверть часа в год. Вот почему большинство людей регулярно проверяют свои часы по надежному сигналу точного времени.
вы слышите перед выпуском новостей на радиостанциях. Теперь не было бы
здорово, если бы ваши часы могли слушать эти передачи и настраиваться на
в нужное время автоматически, и вам не о чем беспокоиться?
Это основная идея радиоуправляемые часы и наручные часы,
которые устанавливают свое время по сверхточным атомным часам .
Давайте подробнее рассмотрим, что это за вещи и как они работают!

Произведение искусства: часы и часы, синхронизированные с помощью радиосигналов, означают, что каждый может владеть часами, такими же точными, как атомные часы. Радиоуправляемые часы были популяризированы такими компаниями, как Junghans, в конце 1980-х — начале 1990-х годов. Сегодня их изготавливают многие разные производители, и во всем мире их используют миллионы.

Содержание

Что такое RCC?
Что такое атомные часы?
Как работают атомные часы?
Кто изобрел радиоуправляемые часы?
Могут ли часы быть такими точными?
Краткая история атомного времени

Что такое RCC?

Обычные часы или наручные часы представляют собой счетчик времени устройство, которое
суммирует количество секунд, минут, часов и дней,
прошло. Но на самом деле он не знает, который час, пока вы не скажете
это: это не устройство хронометража , если вы не установите его на
подходящее время для начала. С радиоуправляемыми часами (RCC) дело обстоит иначе. Это похоже на
обычные электронные часы или часы, но они имеют два дополнительных компонента:
антенна, принимающая радиосигналы, и схема,
расшифровывает их. Схема использует радиосигналы для определения
правильное время и регулирует время, отображаемое часами или часами
соответственно. В отличие от обычных часов, RCC всегда знает, что
время настало — вам никогда не придется об этом говорить!

Фото: Базовая концепция радиоуправляемых часов RCC: радиопередатчик сотни или
в тысячах км/милях от вашего дома (представленного здесь обычным серебряным радиоприемником) излучает регулярные сигналы на ваши кварцевые часы или часы, чтобы следить за временем.

Радиосигналы исходят от уникальной радиостанции, которая
не транслирует ни слова, ни музыку. Там нет диджея и нет раздражающего
реклама автострахования. Все передачи станции
время — снова и снова — в виде специального кода, который только
радиоуправляемые часы могут понять. В Соединенных Штатах эти
сигналы времени передаются станцией под названием
WWVB эксплуатируется
Национальный институт стандартов и технологий (NIST) с базы недалеко от форта
Коллинз, Колорадо. (В других странах есть эквивалентные радиостанции.
В Великобритании, например, станция называется
MSF и управляется Национальным
Физическая лаборатория, а китайская станция называется BPC и
транслируется Национальным центром службы времени.) Временной код NIST
содержит основные время и дату, будь то високосный год, будь то
переход на летнее время и т. д., и на это уходит около минуты.
транслируется целиком.

Большинство RCC синхронизируются с сигналом вещания времени один раз.
днем, ночью, хотя некоторые проверяют себя каждые несколько часов.
Как правило, это дает им точность лучше, чем плюс-минус
полсекунды (±0,5 с) в день. Еще одним преимуществом является то, что они автоматически
корректировать себя на летнее время, високосные годы, месяцы с
разное количество дней и так далее.

Совершенно очевидно, что RCC будет настолько точным, насколько
сигналы времени, которые он использует для саморегуляции. Как вы можете быть уверены
это точно? Радиостанции сигнала времени работали в
разные страны транслируют UTC (Всемирное координированное время), официально согласованное время, используемое во всем мире, которое неофициально известно как GMT.
(Время по Гринвичу). Всемирное координированное время поддерживается сотнями атомных часов.
(самые точные в мире хронометры) по всему миру, все
из которых синхронизированы друг с другом. Это потому что радио ПКР
сигналы основаны на времени, хранимом атомными часами, которые вы иногда
см. производителей RCC, описывающих свою продукцию как «атомные» часы и
часы (хотя на самом деле это не так).

Рекламные ссылки

Что такое атомные часы?

Атомные часы на самом деле кварцевые, такие же, как те, которые вы
иметь дома. Разница в том, что обычные кварцевые часы полагаются
чисто по колебаниям своего кристалла кварца считать
секунды. Как мы уже видели, частота колебаний кварца равна
зависит от таких вещей, как температура окружающей среды, поэтому, хотя кварц
часы, как правило, очень точные, они не обязательно показывают время, поскольку
ну как вы думаете. Напротив, атомные часы имеют дополнительный
механизм — пульсирующие атомы — который он использует для поддержания обычного
кварцевые часы со временем.

Фото: До изобретения атомных часов использовались высокоточные кварцевые часы, подобные этим.
как «стандарты времени», с которыми можно было синхронизировать другие часы.
Это кварцевый стандарт времени 1941 года, который использовался в Соединенных Штатах до 1949 года, в том числе во время Второй мировой войны, когда он помог синхронизировать вооруженные силы по всему миру.
Фото предоставлено цифровыми коллекциями Национального института стандартов и технологий, Гейтерсбург, Мэриленд, 20899.

Цезиевые атомные часы

Этот атомарный механизм основан на идее, что атомы
электроны в определенных энергетических состояниях. Когда атом поглощает энергию,
электроны переходят в более высокие энергетические состояния и становятся нестабильными. Затем они
выделяют ту же энергию, что и фотоны света (или какой-то другой вид
электромагнитное излучение, такое как рентгеновские лучи или
радиоволны), возвращение
в исходное или основное состояние. Атомы цезия, используемые во многих
атомные часы имеют 55 электронов, расположенных на орбиталях. Очень
самый внешний электрон может колебаться между двумя различными энергетическими состояниями
путем вращения двумя немного разными способами. При смещении от
выше к более низкому из этих состояний, он испускает фотон, который
соответствует микроволнам с частотой ровно 9192 631 770
Гц (примерно 9,2 миллиарда герц или 9,2 гигагерца). значит может
стимулироваться от низшего к высшему состоянию именно
одинаковые микроволновки.
Мы можем использовать этот интересный факт, чтобы кварцевые часы шли очень точно.

Фото: Атомные часы с цезиевым фонтаном NIST-F1: удивительно точные часы, по которым настраиваются почти все остальные часы в Соединенных Штатах! Фото предоставлено физической лабораторией Национального института стандартов и технологий (NIST).

В цезиевых атомных часах есть кварцевый генератор, настроенный на
точно такая же частота, 9 192 631 770 Гц, которая делает микроволны
и стреляет ими по группе атомов цезия. Если его частота
правильно, и совсем не дрейфовала, у этих микроволновок будет
точно нужное количество энергии, чтобы сдвинуть электроны в
атомы в более высокое энергетическое состояние. Магнитный детектор в часах
измеряет, сколько атомов находится в более высоких и более низких энергетических состояниях. Если
большинство находится в более высоком состоянии, это означает, что большинство были возбуждены
волны от кварцевого генератора. И это означает, что эти волны имеют правильную частоту, так что
кварцевый генератор должен правильно показывать время. Однако, если атомы находятся в основном в
более низкое состояние, это означает, что осциллятор отклонился от своего
правильную частоту и не отдает нужное количество энергии
продвигают электроны в атомах цезия. Механизм обратной связи в
часы обнаруживают это и регулируют частоту генератора так, чтобы
снова правильно. Таким образом, кварцевый генератор постоянно
регулируется, поэтому он всегда точно установлен на 9,192 631 770 Гц. Ан
электронная схема преобразует эту точную частоту в одну в секунду
импульсы, которые можно использовать для управления относительно обычными кварцевыми часами
механизм с удивительной точностью. «Удивительно» в данном случае означает
именно это: лучшие атомные часы имеют точность в пределах 2
наносекунд в сутки, или одна секунда за 1,4 миллиона лет!

Другие типы атомных часов

Другие атомные часы работают в целом таким же образом, но с использованием атомов
различных газов для регулирования кварцевого генератора. В водороде
часы, атомы газообразного водорода стимулируются
микроволновый лазер (мазер), но они менее практичны, потому что
водород — довольно жесткий газ для содержания. Рубидиевые часы
проще, а значит, компактнее и портативнее; они используют микроволновки
возбудить атомы в рубидиевом стекле. Самый передовой в мире
атомные часы, такие как NIST-7 в Национальном институте стандартов
и технологии в Боулдере, штат Колорадо, используют так называемые атомные
фонтаны. Они используют шесть лазерных лучей, чтобы содержать атомы цезия, круто
почти до абсолютного нуля, подбросьте их вверх и дайте им упасть
обратно вниз под действием силы тяжести (отсюда и название «атомный фонтан»).
Этот процесс заставляет их колебаться между двумя точными энергетическими состояниями.
которые можно измерить, в целом аналогично тому, как мы исследовали
выше, и используется, чтобы держать кварцевые часы в точное время.

Как работают атомные часы?

На одном конце часов печь (красная) нагревает кусок металлического цезия, так что атомы цезия выкипают из него. Атомы находятся либо в невозбужденном основном состоянии (оранжевый), либо в возбужденном состоянии (желтый).
Магнитный фильтр на одном конце печи пропускает только невозбужденные атомы (оранжевые).
Невозбужденные атомы попадают в камеру, называемую микроволновой полостью . Здесь они бомбардируются микроволнами, управляемыми кварцевым генератором (зеленый, 6), теоретически настроенным на магическую частоту 9.,192 631 770 Гц.
Если кварцевый генератор работает именно на этой частоте, то большая часть невозбужденных атомов цезия перейдет в свое возбужденное состояние. В противном случае, гораздо меньше будет возбуждено. Второй магнитный фильтр пропускает только возбужденные атомы.
Детектор измеряет количество возбужденных атомов.
Детектор возвращает сигнал на микроволновый генератор (зеленый), постоянно регулируя его частоту, чтобы обеспечить возбуждение максимального количества атомов. Это гарантирует, что частота генератора всегда будет как можно ближе к 9,192 631 770 Гц.
Электронная делительная схема (синяя) преобразует этот высокочастотный сигнал в низкочастотный сигнал, который может управлять довольно обычным кварцевым часовым механизмом.
Цифровой дисплей (серый), подключенный к схеме, показывает точное атомное время.

Кто изобрел радиоуправляемые часы?

По словам Майкла Ломбарди из NIST, одного из мировых авторитетов в области радиоуправляемых часов: «Нет единого мнения о том, кто изобрел первый RCC, который мог синхронизироваться с беспроводным сигналом». Он предполагает, что первым таким устройством мог быть горофон, изобретенный Фрэнком Хоуп-Джонсом (1887–1819 гг.).50) и продавался с 1913 года его Synchronome Company в Лондоне, Англия.

Я просмотрел множество патентов, касающихся RCC, в базе данных Ведомства США по патентам и товарным знакам, и самый ранний из найденных мной был подан 24 марта 1921 г. (выдан 5 февраля 1925 г.) Таддеусом Каснером для Radio Electric Clock Corporation of New York City. . Каснер объясняет, что его изобретение относится к «…механизму, с помощью которого часы могут периодически корректироваться электрическими импульсами, передаваемыми через пространство… [с помощью] волн Герца [то, что мы сейчас называем радиоволнами]…» Вы можете прочитайте полное описание и просмотрите многочисленные подробные чертежи (включая показанный здесь) в патенте США: № 1,575,09.6: Механизм синхронизации часов (через патенты Google).

Работа: Один из рисунков первых радиоуправляемых часов Таддеуса Каснера. Он отсчитывает время с помощью традиционного зубчатого механизма (который я примерно обозначил синим), но также использует электромагниты (красные), управляемые радиосигналами, чтобы поддерживать правильное время. Работа предоставлена Управлением по патентам и товарным знакам США.

Могут ли часы быть такими точными?

Теперь мы можем определять время с невероятной степенью точности —
наносекунды или две каждый день. Хотя вы можете подумать, что это замечательно,
это просто подменяет одну проблему другой. В прошлые времена,
проблема заключалась в том, что мы не могли определить время достаточно хорошо, чтобы не отставать от
«естественная точность» реального мира. Итак, пока небеса
вращались, и планеты кружились вокруг Солнца, наши часы с трудом
следите за временем так же эффективно, как естественные часы высоко в небе.

Сегодня, по иронии судьбы, все наоборот. Теперь мы определяем время не
с точки зрения движущихся планет, но с использованием колеблющихся атомов. С 1967 г.
второй был
определяется как 9 192 631 770 колебаний атома
цезия-133 между двумя энергетическими состояниями (по причинам, которые мы видели выше).
Следите за временем с помощью атомных часов (как различных национальных
теперь это делают организации по стандартизации), и вы обнаружите, что звезды и
планеты постепенно сбиваются с курса, потому что они не движутся
достаточно точно! Скорость вращения Земли непостоянна, т.к.
пример: у него есть случайные блики, и он постепенно замедляется. Все
это значит, что мы должны «подправить» нашу сверхточную атомную
часы, время от времени, так что они идут в ногу с гораздо меньшим
точный мир вокруг нас. Мы делаем это, добавляя время от времени
«прыгнуть
секунд» к официальному, научно измеренному мировому времени
(Международное атомное время, TAI), чтобы оно всегда соответствовало
официальное время, которое люди фактически используют (Всемирное координированное время,
УНИВЕРСАЛЬНОЕ ГЛОБАЛЬНОЕ ВРЕМЯ).

Краткая история атомного времени

Фото: Ранний электромеханический механизм для синхронизации часов с помощью радиоуправления, разработанный
Бюро стандартов Данмора США. Фото Харриса и Юинга
любезно предоставлено Библиотекой Конгресса США.

1879: Британский физик Лорд Кельвин (Уильям Томсон) предлагает
что энергетические переходы атомов натрия и водорода могут быть
используется для обозначения времени.
1937: Американский физик Исидор Раби впервые применил метод атомно-лучевого магнитного резонанса (ABMR), в котором используется магнетизм.
измерять свойства атома. Работа приносит ему 1944 Нобелевская премия по физике.
1945: Раби предлагает, как можно построить практичные атомные часы.
1949: Ученик и сотрудник Раби Норман Рэмси развивает и совершенствует метод Раби ABMR с открытиями, которые постепенно приводят к разработке цезиевых атомных часов.
За эту работу Рэмси позже был удостоен Нобелевской премии по физике 1989 года.
1949: Национальное бюро стандартов США (официальный
орган по стандартизации, переименованный в Национальный институт стандартов и
Технология, NIST, в 1988) построил первые в мире атомные часы.
с помощью газообразного аммиака и мазера (микроволнового лазера). Это было не очень
точно, но это доказывает, что атомные часы можно построить.
1952: NBS строит прототип цезиевых атомных часов NBS-1. политический
проблемы останавливают дальнейшие исследования.
1953: Тем временем в Национальной физической лаборатории Великобритании.
(британский эквивалент NBS/NIST), Louis Essen и Jack Parry
начать работу над атомным хронометражем.
1955: Эссен и Пэрри создают первый высокоточный прибор для измерения цезия.
атомные часы, цезий-1.
1956/1958: Атомихрон, первые коммерческие атомные часы, идут дальше
распродажа.
1959: Усовершенствованные часы Эссена и Пэрри, Цезий-2, могут определять время до
с неслыханной точностью в одну секунду за 2000 лет.
1967: Международная система единиц (СИ) пересмотрена, чтобы определить
второй как «продолжительность 9 192 631 770 периодов
излучение, соответствующее переходу между двумя сверхтонкими
уровней основного состояния атома цезия-133».
времени в истории человечества, измерение времени больше не основано на
движение звезд и планет.
1993: NIST построил NIST-7, атомные часы на цезиевом луче, используемые для
официальный хронометраж в США до 1999 года.
1999: сборки NIST
NIST-F1, замена NIST-7, которая в 10 раз точнее. Основанный на технологии цезиевого фонтана, он
с точностью до одной секунды за 100 миллионов лет.

Узнайте больше

На этом веб-сайте

Инструменты, инструменты и измерения
Часы с маятником
Часы кварцевые
Радиоуправление и пульт дистанционного управления

На других сайтах

WWVB Радиоуправляемые часы Вводная страница Национального института стандартов и технологий (NIST).
Радиоуправляемые часы от
Майкл А. Ломбарди, Национальный институт стандартов и технологий (NIST): Это более длинное, подробное и интересное введение в принципы работы RCC. Технология восходит к радиоэкспериментам Маркони в начале 20-го века! (формат PDF, около 1 МБ).
Атомные часы с цезиевым фонтаном NIST-F1: основной стандарт времени и частоты для США: хороший обзор самых важных часов США.
Радиосигнал времени MSF: официальное объяснение Национальной физической лаборатории о том, как работает британский сигнал времени MSF.
Краткая история атомных часов в NIST: удобная хронология развития атомных часов в Соединенных Штатах.
Атомные часы: Музей науки Великобритании рассказывает историю атомных часов с британской точки зрения (с большей заслугой Эссена). [Архивировано через Wayback Machine.]
Oral-History: Norman Ramsey (1995): захватывающий взгляд на разработку атомных часов от одного из их пионеров.

Книги

WWVB Радиоуправляемые часы: рекомендуемая практика для производителей и потребителей Майкл А. Ломбарди. Официальное руководство NIST по разработке часов, использующих трансляции WWVB для хронометража. (формат PDF)
Время: от вращения Земли к атомной физике Деннис Д. Маккарти, П. Кеннет Зайдельманн. Cambridge University Press, 2018. Подробное научное исследование времени и хронометража.
Квантовый ритм: принципы и применение атомных часов Ф.Г. Главный. Спрингер, 2007.

Новостные статьи

Самая важная радиостанция, о которой вы никогда не слышали Отметки 50 лет в эфире Джо Хэнсона, Wired, 2 июля 2013 г. В ознаменование первых полувека WWVB, радиостанции, работающей с сигналом времени. по НИСТ.
Изменение времени знаменует собой конец эпохи: BBC News, 25 марта 2007 г. Как радиоуправляемые часы, использующие сигналы времени MSF, обеспечивают синхронизацию в Британии.
Технология сбрасывает часы , Джо Хэнсон, Wired, 2 июля 2013 г. Отмечает первые полвека WWVB, радиостанции сигналов времени, управляемой NIST.
Как это работает: часы, которые не пропустят ни секунды за 20 миллионов лет, Кэтрин Гринман, The New York Times, 17 января 2002 г.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2009/2021) Радиоуправляемые и атомные часы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/howradiocontrolclockswork.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

Связь
Компьютеры
Электричество и электроника
Энергия
Машиностроение
Окружающая среда

Гаджеты
Домашняя жизнь
Материалы
Наука
Инструменты и инструменты
Транспорт

↑ Вернуться к началу

Что такое атомные часы?

Атомные часы. Они звучат почти как что-то из научной фантастики или как эксперимент, ограниченный какой-то элитной физической лабораторией, но на самом деле они в той или иной форме существуют с 1950-х годов. Однако эти часы не появятся в вашем доме в ближайшее время: они могут быть размером со шкаф и состоять из переплетенной массы из нержавеющей стали, лазеров, проводов и кабелей, прикрепленных к вакуумной камере, в которой находятся микроскопические звезды шоу.

Во время Второй мировой войны ученые впервые раскрыли секреты атома, положив начало изучению квантовой физики и возможности использования мельчайших строительных блоков материи для практических приложений, включая атомные часы.

⚛️ Вы любите узнавать о самых крутых научных достижениях. И мы тоже. Приходите учиться с нами.

В крошечном масштабе атомные часы используют те же фундаментальные процессы, что и напольные часы или .0327 наручные часы : они предлагают периодическое явление, которое вы можете сосчитать. Подобно тому, как маятник часов качается взад и вперед, а кусок кварца в форме камертона колеблется под действием электрического тока в часах, вы считаете периодические колебания электронов в атомных часах, когда они перескакивают между энергетическими уровнями. (Подробнее об этом позже.)

Сегодня исключительно точный хронометраж атомных часов используется для измерения времени и расстояния для всего: от нашей глобальной системы позиционирования (GPS), онлайн-коммуникаций по всему миру, долей секунды в трейдинге. акции и гонки на время на Олимпийских играх. Но ученые разработали еще более совершенные атомные часы, которые могут рассказать о таинственных частях Вселенной, таких как темная материя, больше, чем мы когда-либо видели.

Вот как работают атомные часы и почему мы не можем представить мир (или будущие открытия о нашей Вселенной) без них.

Краткая субатомная история

После появления атомной физики ученые разработали способ пропускания атомов цезия через радиоволны, а затем микроволны, форму высокочастотного электромагнитного излучения. В этой ранней форме атомных часов выброс энергии излучения заставлял электроны в атомах прыгать туда и обратно между энергетическими уровнями или орбитами вокруг ядра атома. Поскольку атомы отдельного элемента реагируют только на определенную и уникальную частоту (количество волн, проходящих через точку пространства за заданный промежуток времени), ученые могли измерить эту частоту, чтобы получить стандартное и точное измерение времени.

«Тот факт, что разница энергий между этими орбитами является таким точным и стабильным значением, действительно является ключевым компонентом для атомных часов», — говорит Эрик Берт, физик по атомным часам в Лаборатории реактивного движения НАСА, , в блоге 2019 года. на сайте НАСА. «Вот почему атомные часы могут достигать уровня производительности выше, чем у механических часов».

Еще больше удивительных историй о физике ⬇️

Вселенная сама меняет законы физики
Посмотрите на это изображение отдельного атома
Субатомная частица может превратиться в своего злого близнеца

Цезий был одним из первых претендентов на создание лучшего хронометра, поскольку атомы этого элемента имеют гораздо более высокую резонансную частоту, чем кварц, используемый в наручных часах. Внешняя оболочка цезия имеет один электрон, что делает его химически реагирующим на микроволновое излучение. Поскольку вы можете подсчитать, сколько раз электроны прыгают между двумя энергетическими уровнями в атоме цезия за заданный промежуток времени, эта частота стала официальным инструментом измерения длительности секунды. (Забавный факт: эти сдвиги энергии проявляются в виде электромагнитного излучения в виде видимого света, такого как оранжевое свечение натриевых ламп, используемых для уличного освещения. Атомы в атомных часах тоже светятся.)

Атомные часы с цезием в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в Гейтерсберге, штат Мэриленд, настолько точны, что теряют одну секунду за 100 миллионов лет.

Сегодняшним самым точным атомным часам потребуется около 30 миллиардов лет, чтобы потерять хотя бы одну секунду. Для сравнения, механические часы могут отставать на несколько секунд каждый месяц, говорят ученые. Какой смысл в часах с такой предельной точностью? Во-первых, это приводит к потрясающим экспериментам, которые еще более точно доказывают принципы относительности, например, держат два атомных часа на разных высотах и видят, что они «тикают» с разной скоростью, потому что испытывают разные уровни гравитации. Вторая причина заключается в том, что это откроет новые возможности для исследований, о которых ученые только мечтали, например, исследование темной материи путем изучения крошечных сдвигов в гравитационных волнах.

Современные атомные часы нового уровня

Физик Jun Ye из NIST, где ученые разработали первые атомные часы, работает над относительно новым типом конструкции — оптическими атомными часами — в сотрудничестве с Объединенным институтом для лаборатории астрофизики ( JILA ) в Боулдере, штат Колорадо. Вместо использования микроволн его лабораторная установка испускает лазеры в облаке из сотен тысяч переохлажденных атомов стронция. Лазеры приводят в движение эти квантовые колебания, а также отслеживают скачки электронов внутри атома. Лазеры настроены так, чтобы точно соответствовать частоте света, излучаемого электроном каждый раз, когда он меняет энергетический уровень.

Экспериментальные атомные часы JILA на основе атомов стронция, удерживаемых в решетке лазерного излучения. Изображение состоит из множества фотографий, сделанных с длительной выдержкой и другими методами, позволяющими сделать лазеры более заметными.

JILA

Прежде чем они смогли начать отслеживать время, ученые должны были сконструировать свои часы. Команда Йе из NIST изолировала и поместила атомы стронция в вакуумную камеру с помощью лазера. «Это почти как оптический пинцет, сделанный из лазерного луча», — говорит Йе 9.0367 Популярная механика . Вакуум сам по себе не холодный, но атомы охлаждаются (опять же лазером) до долей микрокельвина. Кельвин — это единица измерения температуры, которая называет ноль абсолютной самой холодной точкой.

«Здесь невероятно холодно, холоднее, чем где бы то ни было во Вселенной», — говорит Йе. Атомы должны быть такими холодными, чтобы побуждать их вести себя не как частицы, а как волны. «Квантово-механическая волновая функция отдельных атомов перекрывается друг с другом и начинает вести себя как коллективный объект», — объясняет он. Так их легче держать вместе. В этот момент в работу вступают пары лазеров, захватывая облако атомов в решетчатую структуру.

Команда начала с единственной пары лазеров, направленных в вакуумную камеру. «Скажем, у вас есть лазер, идущий слева направо. Оно отражается зеркалом. Итак, теперь у вас есть свет, идущий с обоих направлений, правильно, потому что зеркало будет отражать свет. Когда две волны сходятся, возникает интерференция, которая образует так называемую стоячую волну. По сути, просто представьте, что волна колеблется взад и вперед в фиксированном месте», — говорит Йе. Как и у воды, у световой волны есть впадины и пики. Самая высокая интенсивность света приходится на пик, и свет притягивает атомы; у корыта нет света, а значит, нет и атомов. Пара стоячих световых волн образует то, что Е называет «стопкой блинов», в которой каждый блин содержит десятки атомов. «Это простейшая из возможных одномерная решетка», — говорит Йе.

🥶 Ледяной холод

Мы близки к достижению абсолютного нуля

Затем команда выстрелила еще одной парой лазерных лучей в вакуумную камеру под прямым углом к исходному лазерному лучу. «Теперь блины нарезаются. Представьте, что у вас есть стопка блинов в этом направлении и стопка блинов в другом направлении, когда они нарезаются друг на друга, они становятся похожими на отдельные сигары», — объясняет Е. Наконец, команда добавила еще один набор лазеров в третьем пространственном измерении. Когда три пары света интерферируют, вместо сигар образуются отдельные точки. «В этой трехмерной оптической решетке атомы могут быть загружены один за другим в отдельные точки», — объясняет Йе. Часы готовы.

Когда область исследований оптических атомных часов была новой, в каждом эксперименте участвовал только один атом. Однако несколько атомов дают часы во много раз более точные из-за странных свойств квантовой механики. Совместное колебание множества атомов похоже на множество подбрасываний монеты: чем больше раз вы подбрасываете монету, тем ближе вы подходите к усреднению правильной общей вероятности.

Можно предположить, что каждый атом действует как маятник стандартных часов, говорит Йе. «Вы хотите, чтобы ваш маятник качался миллиарды раз в секунду». Чтобы еще больше убедиться в его точности, его лаборатория построила несколько стронциевых часов, а также сравнила их часы на оптической решетке с другими часами в лаборатории в миле от них.

«Одна из первых по-настоящему квантовых технологий»

Массив изображений атомов стронция, светящихся в вакуумной камере, из испытаний атомных часов Колковица. Слева — единственный шар из 100 000 атомов. Справа представлены изображения атомов, образующих решетку, образующую несколько часов.

Kolkowitz Group, University of Wisconsin-Madison

Люди в восторге от разработки квантового компьютера, «однако атомные часы — одна из первых по-настоящему квантовых технологий», — говорит физик из Университета Висконсин-Мэдисон Шимон Колковиц Популярная механика . По его словам, хотя лазер также является квантовой технологией, атомные часы — это первый пример технологического скачка, который был бы невозможен без глубокого понимания квантовой механики. Квантовая механика — это изучение природы в мельчайших масштабах: атомов и субатомных частиц.

Исследовательская группа Колковица недавно измерила различия между атомными часами на оптической решетке, в которых атомы стронция были разделены на несколько часов, расположенных в линию в вакуумной камере. С одними атомными часами лазер мог возбудить электроны в том же количестве атомов за одну десятую секунды. Однако, когда лазер ударил по двум часам одновременно внутри вакуумной камеры, количество атомов с возбужденными электронами оставалось одинаковым между двумя часами до 26 секунд.

Связанная история

Время действительно может течь вспять, говорят физики

Чтобы учесть любые различия, вызванные изменениями гравитации или магнитных полей, команда провела более 1000 экспериментов. В конце концов, исследователи обнаружили, что часы будут идеально совпадать со своим временем, прежде чем отставать на одну секунду каждые 300 миллиардов лет. Это исследование, опубликованное 16 февраля в Nature , установило мировой рекорд для двух пространственно разделенных часов. Никакие другие атомные часы не достигли такого уровня точности, хотя лучшие атомные часы в мире отсчитывают 30 миллиардов лет.

Стронций лучше подходит для оптических часов, чем цезий, у которого отсутствуют действительно узкие оптические переходы, говорит Колковиц. «У цезия только один валентный электрон, а у стронция — два. Это делает структуру уровней стронция более сложной и богатой и приводит к чрезвычайно узким оптическим переходам, которых просто нет в цезии».

Оптическая установка для стронциевой магнитооптической ловушки, часть стронциевых оптических атомных часов группы Коковица.

Kokowitz Lab, University of Wisconsin-Madison

Точность атомных часов улучшается с «ошеломляющей» скоростью, говорит Йе. Первые атомные часы отставали или отставали только на одну секунду за триста лет, что является значительным улучшением по сравнению со стандартными часами. Современные GPS-хронометры в миллион раз точнее этих первых часов. Лучшие на сегодняшний день оптические атомные часы могут показывать устойчивое и точное время намного дольше, чем возраст Вселенной, 13,8 миллиарда лет.

Как мы используем атомные часы

Атомные часы теперь даже используются для более точного определения всех видов единиц измерения — не только времени, но и массы, длины, электричества и многого другого, говорит Колковиц. Например, мы можем измерить метр, используя только скорость света, которая с научной точки зрения принята как константа 299 792 458 метров в секунду, и часы. Теперь вы можете точно измерить длину метра, потому что ваши атомные часы могут регистрировать количество времени, которое потребовалось свету, чтобы пройти один метр, отмечает Колковиц.

«Мы становимся все более и более чувствительными к новой физике, даже к вещам, о которых не знаем», — говорит Колковиц. «Улучшение часов важно просто потому, что они определяют, насколько хорошо мы можем измерять остальную часть Вселенной и действительно количественно оценивать вещи».

История науки, которой мы одержимы

Чем напоминает нам бритва Оккама Ключ к простоте

Многочисленные эксперименты с двумя синхронизированными атомными часами доказали, что время может изменяться в зависимости от гравитационных сил. В 2010 году два атомных часа работали бок о бок. Тогда одному было поднял на 33 сантиметра, и он стал бегать быстрее. Доля уменьшения гравитации в верхних часах заставила время замедлиться по сравнению с нижними часами. Подобные испытания уже проводились раньше, когда одни из атомных часов поднимались высоко над Землей в самолете. Однако этот более поздний тест с поразительной точностью доказал, что сила гравитации влияет на ход времени в данной точке.

С точки зрения повседневной деятельности, которую мы считаем само собой разумеющейся, атомные часы являются основным инструментом.

Например, GPS был бы невозможен без точности атомных часов. Сеть из 31 спутника GPS, вращающегося сейчас вокруг нашей планеты, позволяет нам перемещаться в места, удаленные на тысячи миль. Хотя это может показаться нелогичным, спутники, передающие сигналы на наши GPS-приемники, такие как наши автомобили и сотовые телефоны, на самом деле переживают время иначе, чем мы на Земле. Поскольку они находятся дальше от центра Земли, спутники ощущают меньшее гравитационное притяжение и быстрее отсчитывают время — на 40 миллионных секунды в день. Если бы наши GPS-системы не учитывали этот эффект относительности, мы обычно уводили бы нас на шесть миль в неправильном направлении.

Тем не менее, наша сеть GPS основана на технологиях, разработанных в 1970-х и 1980-х годах. Такие ученые, как Коковиц и Йе, хотели бы, чтобы он был модернизирован, чтобы в полной мере использовать новейшие технологии оптических атомных часов. Некоторые части Европы уже планируют этот возможный переход, но для эффективного перехода потребуются глобальные усилия, говорит Йе.

Как мы будем использовать атомные часы завтра

Скачки в точности хронометража сделали атомные часы настолько чувствительными, что они позволяют нам измерять мельчайшие замедления времени — изменения в земной коре, которые могут указывать на геологические тенденции, давать более ранние предупреждения о специфические изменения климата, обнаружение темной материи и изменений в гравитационных волнах.

Достижения в разработке все более точных оптических атомных часов позволяют ученым увидеть пересечение между микроскопическим миром квантовой физики и макроскопическим миром гравитационной физики. Теперь мы можем измерить фон гравитационных волн Вселенной, используя сверхточные массивы времени пульсаров. Точно так же изображения черной дыры, сделанные в 2019 году, были бы невозможны без точного совмещения нескольких радиотелескопов в разных частях мира. Вместе они действовали как единый телескоп размером с Землю, направленный в центр галактики M87, примерно в 53,5 миллионах световых лет от нас.

Футуристические проекты, такие как космические путешествия , также стали более осуществимыми. Когда вы говорите о навигации на астрономические расстояния, то любая крошечная задержка в расчете времени может обернуться длительным путешествием в неправильном направлении. С атомными часами у вас есть очень высокий уровень уверенности в том, что вы всегда движетесь в правильном направлении.

«Производительность этих часов потрясающая. И еще я скажу, что они продолжают улучшаться… Мы даже не думали обо всем, что мы можем сделать с этими часами, поскольку они продолжают улучшаться», — говорит Колковиц.

Манаси Ваг

До прихода в Popular Mechanics Манаси Ваг работала газетным репортером, научным журналистом, техническим писателем и компьютерным инженером. Она всегда ищет способы совместить три величайшие радости в своей жизни: науку, путешествия и еду.

Как работают атомные часы Galileo

Приложения

16962 просмотров
42 лайков

Для корректной работы спутниковой навигационной системы необходимо, чтобы сигналы, транслируемые спутниками, передавались синхронно. Для этого на спутниках установлены очень стабильные часы.

Спутники Galileo оснащены часами двух типов: рубидиевыми атомными стандартами частоты и пассивными водородными мазерами. Стабильность рубидиевых часов настолько хороша, что они теряют всего три секунды за миллион лет, в то время как пассивный водородный мазер еще более стабилен и теряет только одну секунду за три миллиона лет. Однако такая стабильность действительно необходима, поскольку ошибка всего в несколько наносекунд (миллиардных долей секунды) в измерениях Galileo приведет к ошибке позиционирования метров, которая будет неприемлемой.

Атомные часы работают как обычные часы, но их отсчет времени основан не на колеблющейся массе, как в маятниковых часах, а на свойствах атомов при переходе между различными энергетическими состояниями.

Атом при возбуждении внешним источником энергии переходит в более высокое энергетическое состояние. Затем из этого состояния он переходит в более низкое энергетическое состояние. При этом переходе атом высвобождает энергию с очень точной частотой, характерной для данного типа атома. Это как подпись для типа используемого материала. Все, что нужно для создания хороших часов, — это способ обнаружения этой частоты и использования ее в качестве входных данных для счетчика. Это принцип работы атомных часов.

Переходы между энергетическими состояниями могут происходить путем выделения или поглощения энергии на оптических или микроволновых частотах. Атомная секунда соответствует 9 192 631 700 импульсам частоты энергии, обнаруженной при переходе изотопа цезия 133 при подходящем возбуждении.

Рубидиевые часы

Рубидиевые часы Galileo состоят из атомного резонатора и связанной с ним управляющей электроники. Внутри атомного резонатора находится рубидиевая паровая ячейка. Атомы находятся в газообразном состоянии при высокой температуре. Для возбуждения резонанса атомы ячейки возбуждаются в более высокое состояние светом рубидиевой газоразрядной лампы, расположенной на одном конце атомного резонатора. На другом конце резонатора находится фотодиод, который определяет количество света, прошедшего через ячейку.

После возбуждения атомы распадаются в более низкое состояние. Из этого состояния атомы возвращаются на промежуточный уровень путем подачи в резонатор микроволновой энергии на заданной частоте. Переход на промежуточный уровень происходит только в том случае, если частота точно соответствует той, которая связана с этим переходом. Когда атомы находятся в промежуточном состоянии, поглощение света максимально.

Выход фотодиода подключен к схеме управления, которая регулирует микроволновую частоту. Правильная частота поддерживается путем настройки источника микроволн для получения максимального поглощения света. Резонанс поддерживается энергией рубидиевой лампы, так как атомы в промежуточном состоянии снова возбуждаются в более высокое состояние, а затем распадаются до более низкого состояния, с которого весь процесс начинается снова.

Водородные мазерные часы

Пассивные водородные мазерные часы Galileo также состоят из атомного резонатора и связанной с ним управляющей электроники. В этих часах небольшая бутыль для хранения подает молекулярный водород в газоразрядную лампу. Здесь молекулы водорода диссоциируют на атомарный водород. После диссоциации атомы попадают в резонансную полость, проходя через коллиматор и магнитный селектор состояний. Этот селектор магнитного состояния используется для того, чтобы позволить только атомам желаемого энергетического уровня войти в резонатор. Здесь атомы заключены в кварцевую накопительную колбу. Оказавшись в этой накопительной колбе, атомы водорода имеют тенденцию возвращаться к своему «фундаментальному» энергетическому состоянию, излучая при этом микроволновую частоту.

Эта частота определяется схемой опроса, которая фиксирует внешний сигнал на «естественном» переходе атомов водорода. Блокировка происходит, когда инжектируемая частота совпадает с резонансной частотой атомов; это соответствует усилению микроволнового сигнала.

Резонансная частота микроволнового резонатора составляет примерно 1,420 ГГц. Электроника часов включает в себя схему управления частотой, а также систему терморегулирования для поддержания правильной температуры резонатора.

Атомный резонатор очень чувствителен к внешней среде (например, к магнитному полю). Необходимо очень тщательно следить за тем, чтобы возмущения окружающей среды были небольшими, чтобы можно было реализовать весь потенциал производительности этих сложных часов.

Спасибо за лайк

Вам уже понравилась эта страница, вы можете поставить лайк только один раз!

Почему атомные часы так точно показывают время?

Атомные часы — это устройство, которое измеряет время с помощью микроволнового сигнала, излучаемого атомами — или электронами в атомах — при изменении их энергетического уровня.

Знаете ли вы, что атомные часы имеют погрешность всего в 1 секунду за период около ста миллионов лет? Это делает их одним из самых точных устройств в истории человечества, по крайней мере, когда речь идет об отсчете времени.

Что измеряют атомные часы?

Атомные часы измеряют фактическую длину секунды, которая является базовой единицей, используемой для расчета времени.

В соответствии с Международной системой единиц (СИ) единица времени «секунда» рассчитывается как время, за которое атом в определенном состоянии, состоящий из элемента цезия-133, совершает 9 192 631 770 колебаний.

Мы также можем обратиться к истинному определению, которое намного сложнее.

«Вторая — это продолжительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133».

Обратите внимание, что это относится только к атому цезия, находящемуся в настоящее время в состоянии покоя при температуре 0 Кельвинов.

Почему у нас вообще есть атомные часы?

Приблизительно 400 часов по всему миру составляют международное атомное время (TAI) — стандарт времени, который мы используем для поддержания всемирного координированного времени (UTC). А поскольку UTC — это стандарт, который мы используем для синхронизации всех часов в мире, атомные часы очень важны.

Точные измерения, например, с помощью атомных часов, также помогают в работе спутниковых навигационных систем, таких как GPS, Galileo и ГЛОНАСС.

Как работают атомные часы?

Вы ведь знаете, что такое маятник в напольных часах? Это гармонический осциллятор, который использует гравитацию для раскачивания вперед и назад, и это движение помогает часам идти в ногу со временем.

Естественный способ колебаний атомов работает подобно маятнику в атомных часах.

Тем не менее, атомные часы более точны, поскольку естественные колебания атомов происходят на более высокой частоте, и в результате они более стабильны.

Вот почему атомные часы — одно из самых точных устройств для определения времени. Но чего вы можете не знать, так это того, что, хотя они идентичны по принципу и функциям, как и традиционные часы, существует множество типов.

Мы объясним наиболее распространенные.

Принципы атомных часов

Первое, что нужно понять, это то, что атомы могут находиться в разных энергетических состояниях, которые в научных терминах называются сверхтонкими уровнями или сверхтонкой структурой. В цезии есть пара энергетических состояний, поэтому, чтобы упростить задачу, давайте будем называть их состоянием A и состоянием B соответственно.

Сначала атомы нагреваются и собираются в пучок. Магнитное поле удаляет атомы в состоянии B, так что остаются только атомы в состоянии A. Это важный шаг.

Затем атомы в состоянии А переходят в нечто, называемое резонатором. Внутри они облучаются микроволновым излучением, в результате чего некоторые из этих атомов меняют состояние, переходя в состояние B.

Атомы проходят за резонатор, и другое магнитное поле извлекает атомы, оставшиеся в состоянии A.

Затем система обнаружения собирает и подсчитывает атомы, оставшиеся в состоянии B.

Здесь все усложняется.

Частота микроволнового излучения будет определять общий процент атомов, которые изменяют свое состояние после прохождения через резонатор. Если частота излучения ближе к частоте колебаний атома, то больше изменится состояние.

Именно так время определяется с помощью атомных часов. Часы настраиваются — или их микроволновая частота — в соответствии с колебаниями атомов, а затем измеряется результат. После того, как произошло 9 192 631 770 колебаний, это можно считать за целую секунду.

Вот почему атомные часы такие точные

Измеряя колебания атомов, атомные часы остаются точными, но они не совершенны. Они испытывают ошибку в 1 секунду каждые сто миллионов лет или около того.

Сегодня атомные часы NIST-F1 в Колорадо считаются одними из самых точных часов в мире.

Часы с цезиевым фонтаном. Это означает, что лазеры — или лучи — собирают атомы в суетливое облако, охлаждают их и разбрасывают. Что это делает, так это замедляет движение атомов, так что их можно измерить проще и точнее.

Существуют ли более точные устройства для хронометража?

На самом деле ученые работают над типом часов, которые являются более точными, чем атомные часы, которые мы используем сегодня. Они называются оптическими атомными часами и измеряют колебания атомов с помощью света видимого спектра. Очевидно, отсюда и его название.

Это возможно, потому что резонансная частота световых волн в пятьдесят тысяч раз превышает частоту микроволнового излучения. Ученые надеются использовать это для измерения колебаний, и оно будет намного точнее.

Считается, что оптические часы имеют погрешность в 1 секунду примерно за пятнадцать миллиардов лет. Вы можете себе представить, насколько ценными были бы такие часы.

Статьи по теме:

Что такое земное время?

Что такое часовой пояс?

UTC и GMT: в чем разница?

10 интересных фактов о високосном дне, которых вы не знали

Как работают атомные часы? — Physics Stack Exchange

Я собираюсь выложить несколько интересных заметок, поскольку я узнаю об этом все больше и больше здесь.

https://www.youtube.com/watch?v=eOti3kKWX-c Внутри HP 5061A Cesium Clock от CuriousMarc есть полезная информация.

Выпущенные в 1964 году, HP 5061A представляют собой очень портативные атомные часы, похожие на те, которые использовались в экспериментах относительности плоскостей, таких как эксперимент Хафеле-Китинга.

Такая компактность также несет в себе образовательное преимущество, поскольку мы можем получить хороший снимок всей системы. Массовое производство также означает, что оно хорошо задокументировано. Руководство близкородственного 5061A можно загрузить с https://www.manualslib.com/download/1501827/Hp-5061b.html 9.0003

https://youtu.be/eOti3kKWX-c?t=250 показывает открытую крышку:

Руководство содержит более перпендикулярный, хотя и очень размытый снимок с низким разрешением, на котором некоторые ключевые элементы помечены:

Таблица 5-1. Обозначения сборки HP 5061B перечисляют части, некоторые из которых помечены на картинке, некоторые из которых я могу более или менее понять:

Узел кварцевого генератора A10
A12: (большой цилиндр внизу) Цезиевая лучевая трубка — это цезиевая печь. Марк упоминает, что это одноразовая деталь, так как после некоторого использования весь цезий испаряется, и тогда вам придется покупать новый цилиндр, по 40 тысяч долларов за штуку, теперь уже от Agilent, побочного продукта HP.
A18: блок питания +3500 В постоянного тока. Итак, мы понимаем, что в какой-то момент необходимы высокие напряжения.
A19: блок питания -2500 В постоянного тока. То же.

содержит схему, которая также выделена в видео Марка:

, к которой мы можем добавить некоторые комментарии:

первая слева есть цезиевая печь, из которой вылетает поток атомов цезия . Цилиндр хорошо запаян и внутри вакуум, иначе цезий все время врезался бы в молекулы воздуха. Маркировка говорит, что он работает на 129Цельсия, так что небольшая опасность, но и не безумие.
магнит «А» выбирает только атомы цезия с низким энергетическим состоянием. Это происходит потому, что спин действует как маленький магнит, и поэтому магнит «А» заставляет атомы с разными спинами вращаться в несколько разных направлениях
.
Поле «C» — это микроволновый резонатор, то есть кусок металла особой формы, который при некотором входном напряжении производит микроволны определенной частоты, более или менее похожие на микроволновую печь. Но этот, кажется, имеет форму буквы C.
Эта микроволновая частота настроена для возбуждения атомов цезия. Такие полости были впервые созданы во время Второй мировой войны для радарных систем и были революционной технологией, поскольку до них у нас не было очень эффективного способа производства микроволн.
магнит «B» действует как магнит «A», но затем мы выбираем возбужденный пучок
ионизатор с горячей проволокой и электронный умножитель вместе обнаруживают врезающиеся в них атомы:
- когда атом попадает в ионизатор с горячей проволокой, он теряет электрон и заряжается (ионизируется)
- электронный умножитель усиливает отдельные заряженные частицы до измеряемого сигнала. Он состоит из последовательности отрицательно заряженных пластин, каждая из которых испускает все больше и больше электронов, когда влетающий электрон сталкивается с ней, создавая таким образом электронную лавину из одного входного электрона. Диаграмма из Википедии немного нагляднее:

В первом абзаце руководства дается обзор рабочей процедуры, которую стоит процитировать и попытаться полностью понять:

1-3 В лучевой трубке выбранный по состоянию пучок цезия
133 атома проходят через микроволновый резонатор. Когда
частота приложенного микроволнового магнитного поля,
полученный путем умножения кварцевого генератора
частота, близка к частоте сверхтонкого перехода
Цезий-133 (9 192 631 770,0 Гц.), микроволновый сигнал
индуцирует переходы с одного сверхтонкого энергетического уровня на
еще один. Те атомы, которые подверглись такому
переход регистрируется ионизатором с горячей проволокой и электронным
множитель. Микроволновое поле частотно-модулировано
на низкой частоте 137 Гц. Когда микроволновка
частота отклоняется от центра атома
резонанс, ток с электронного умножителя
содержит частотную составляющую, аналогичную
частота модуляции. Величина этой составляющей пропорциональна девиации частоты, и
фаза показывает, является ли микроволновый сигнал
выше или ниже частоты перехода. Этот компонент
фильтруется, усиливается и синхронно обнаруживается для
обеспечить постоянное напряжение, пропорциональное частоте
отклонение. Интеграл этого постоянного напряжения автоматически
корректирует частоту кварцевого генератора.

Отсюда мы можем выделить кое-что:

Цезий-133

Цезий-133 используется.

Это стабильный изотоп.

Он не имеет ничего общего с более печально известным и высокорадиоактивным (но тоже очень полезным) изотопом цезия-137, так что это выбор, связанный не с радиоактивными свойствами цезия, а в большей степени с электронными свойствами.

Причины выбрать цезий:

он испаряется при относительно низких температурах для получения нашего луча
его сверхтонкий переход обладает хорошей энергией для работы. См. раздел ниже.

Сверхтонкий переход

Сверхтонкий переход представляет собой разницу энергий между спином вверх и вниз самого внешнего электрона цезия.

Эта разница существует из-за взаимодействия между спином электрона и спином ядра, и, как вы можете себе представить, энергия взаимодействия мала, поэтому она сверхтонкая.

Его можно противопоставить гораздо более высоким энергиям, таким как:

общая структура: прыжок между двумя разными орбиталями с разными N
тонкая структура

Все эти типы структур впервые наблюдались как расщепления линий в экспериментах по спектроскопии на горячих образцах атомов.

Энергия нашего перехода соответствует свету с частотой 9 192 631 770,0 Гц, что означает, что мы имеем волну длиной около 3 см, что находится в микроволновом диапазоне. Этот тип сантиметровой длины волны очень удобен, так как нам удобно делать из него металлические предметы, которые можно использовать для эффективного производства таких частот.

Кварцевый кристалл

Хрустальные генераторы — это то, что отсчитывает время в современных электронных часах. Они довольно точны (на сколько нужно), но все же имеют некоторую изменчивость, потому что они являются частью механического материала, и поэтому на них влияют перепады температуры и давления.

Переход цезия используется в контуре управления с обратной связью с кварцевым генератором для преодоления таких изменений. Это работает на фундаментальном уровне, потому что частота перехода цезия абсолютно фиксирована для разных температур и давлений.

Частота модуляции

НУЖНО понять эту часть лучше. Я должен был уделять больше внимания моему старшекурснику EE. И это должно было научить меня таким классным вещам 😉

Марк пытается объяснить немного больше по адресу: https://youtu.be/eOti3kKWX-c?t=903 поверх другой блок-схемы из руководства, но это все еще недостаточно тупой для меня.

Кажется, происходит следующее:

синтезируется приблизительная частота, близкая к заданной 9,192 МГц
к этой частоте добавляется небольшая частота 137 Гц

В этом случае поправки зависят только от этой модуляции 137 Гц.

Вакуумная система с ионным насосом

На https://youtu.be/eOti3kKWX-c?t=1077 Марк выделяет ионный насос, какую-то сумасшедшую оригинальную вакуумную систему. Я думаю, что вы должны продолжать сцеживаться, даже если трубка частично или полностью закрыта, потому что вещество внутри трубки постепенно испаряется.

Большие более точные системы

https://youtu.be/Tc_tDVbjCQk?t=359 показывает шрифт Cesium из Национальной физической лаборатории (британский NIST). Это огромный. Он объясняет, что по какой-то причине цезий охлаждается лазером в этой системе для большей точности.

сравнение атомных часов

двусторонняя спутниковая передача времени и частоты, TWSTFT, сопряжение атомных часов

Мы очень гордимся тем, что наше время в цифровые преобразователи разрешают настолько точно, что они подходят для сравнения атомных часов. Это относится, в частности, к современным методам измерения, таким как двусторонняя спутниковая передача времени и частоты.

Все обычные часы работают по похожему принципу: они используют периодически происходящее событие, которое подсчитывается, и их частота соответствует секунде. Только с помощью атомных часов время стало физической величиной, которую можно измерить наиболее точно. Импульс времени этих часов выводится из характерной частоты радиационных переходов электронов свободных атомов, а их отображение времени постоянно сравнивается с часами и адаптируется к ним. Во всем мире в 80 институтах времени работает более 400 атомных часов, которые регулярно сравнивают друг с другом. На основе этого сравнения рассчитывается своего рода «усредненная» шкала времени, которая называется 9-й шкалой.0322 International Atomic Time (TAI) и используется во всем мире. TAI также является основой для всемирного координированного времени (UTC) .

Два атомных часа CSF1 и CSF2 (цезиевые фонтаны) Федерального физико-технического института в Германии с изображением доктора Штефана Вейерса, руководителя рабочей группы «Единица времени».

Как работают атомные часы и какие типы используются

База времени для атомных часов определяется частотой перехода между различными уровнями атомной энергии . Если быть более точным, атомные часы основаны на измерении частот магнитного резонанса атомов, так называемой ларморовской частоты. При приложении электромагнитного излучения на ларморовской частоте возбуждаются переходы атомных уровней, так что при изменении частоты создается спектр возбуждения, который составляет основу измерения. С этой целью кварцевый генератор используется для создания переменного электромагнитного поля, воздействию которого подвергаются атомы. Частоту поля можно регулировать. Если эта частота совпадает с ларморовской частотой используемых атомов, атомы изменяют свой энергетический уровень, что и детектируется. С помощью контура управления частота кварцевого генератора поддерживается чрезвычайно стабильной: как только частота переменного поля отклоняется от ларморовской частоты, частота кварцевого генератора настраивается соответствующим образом, чтобы соответствовать резонансной частоте атомов. опять таки. Таким образом, электронный считываемый сигнал времени связывается с ларморовской частотой используемых атомов и, таким образом, с физическими константами.

В октябре 1967 года определение секунды в международной системе единиц (СИ) было основано на переходе в основном состоянии атомов цезия. Частота перехода атома цезия зафиксирована на уровне 9 192 631 770 Гц. Сегодня, помимо цезия, наиболее распространенными атомами для атомных часов являются рубидий, водород, а в последнее время — стронций, алюминий и иттербий в оптических часах (см. Ниже).

Оптические часы

Производительность так называемых оптических часов уже превзошла производительность цезиевых часов. Вышеупомянутые атомы стронция, алюминия или иттербия используются в оптических атомных часах, которые используют оптические переходы, происходящие на частотах в диапазоне ТГц. Точность оптических часов часто иллюстрируется тем фактом, что сегодня они ошибались бы менее чем на 1 с, если бы шли с момента Большого взрыва. В конце концов, Большой взрыв произошел около 13,8 миллиардов лет назад. Оптические часы способны делить заданные временные интервалы на гораздо более тонкие интервалы, чем цезиевые часы, и по этой причине они уже давно обсуждаются для еще более точного определения секунды. Однако работа оптических часов еще более требовательна, поэтому они еще не вытеснили цезиевые часы. Кроме того, они технически реализованы очень по-разному.

Следовательно, существует большая потребность в сравнении атомных часов друг с другом — и это также на больших расстояниях.

‍

Ядерные часы

Дальнейшее повышение точности ожидается от ядерных часов, которые должны использовать возбужденное состояние в самом атомном ядре вместо возбужденных состояний в атомной оболочке. Атомное ядро примерно в десять тысяч раз меньше электронной оболочки и гораздо более устойчиво к внешним воздействиям, таким как магнитное поле или изменения температуры, или электромагнитные помехи. Технический недостаток заключается в том, что для достижения других энергетических уровней требуются электромагнитные поля очень высокой частоты. В настоящее время торий является многообещающим кандидатом для создания ядерных часов, поскольку ультрафиолетового излучения уже может быть достаточно для создания возбужденных уровней в этих атомах. В литературе исследуются и обсуждаются различные концепции ториевых часов, но до сих пор не удалось возбудить ядерный переход с помощью лазера, поскольку энергия перехода известна недостаточно точно.

‍

Вид на сверхвысоковакуумную камеру оптических стронциевых часов PTB, где атомы стронция охлаждаются и хранятся. Яркий сине-белый флуоресцентный свет в верхней трети окна возникает из-за облака холодных атомов стронция (каплеобразное образование под синим флуоресцентным лучом атомов в верхней части вакуумного окна).

Как синхронизируются атомные часы?

‍
Наличие GPS-сравнений времени стало важным шагом для сравнения далеких атомных часов. Вышеупомянутая спутниковая сеть обеспечивает помимо данных о местоположении для навигационных систем также сигналы точного времени и поэтому в основном подходит для распространения времени и для сравнения шкал времени. С этой целью приемник GPS в каждом институте времени синхронизируется с UTC института, и вычисляется разница во времени между этим показанием времени и временем спутниковой GPS. В этом процессе каждый спутник передает системное время в качестве эталона вместе со значением шкалы времени индивидуальных бортовых атомных часов и данными о текущем местоположении. Таким образом, взаимосвязь между индивидуальными спутниковыми часами и системным временем может использоваться для сравнения времени.

Используя этот метод, если несколько институтов определяют разницу во времени по наблюдениям всех спутников в течение одного дня и обмениваются своими результатами, это позволяет рассчитать среднюю разницу во времени. Однако этот метод имеет систематические недостатки, особенно потому, что спутники излучают только слабый сигнал . Следовательно, данными можно манипулировать путем спуфинга или рассылки спама .

‍
Таким образом, метод двусторонней спутниковой передачи времени и частоты (TWSTFT) сегодня стал более устоявшимся. При таком подходе два института времени одновременно отправляют метки времени в согласованное время друг другу через геостационарный телекоммуникационный спутник. Эти метки времени обеспечивают точное время отправки в соответствии с автоматически измеренным атомным временем. В момент отправки TDC запускается на каждом из двух передатчиков и автоматически останавливается, как только принимается сигнал другого института. Путем сравнения времени передачи по атомным часам одного института с временем передачи по TDC другого института можно определить частоту или разницу во времени двух удаленных атомных часов. В этом процессе 9Измерение 0322 не зависит от положения двух институтов и спутника , так как задержки, действующие на сигналы, обычно одинаково влияют на оба сигнала. Следовательно, они нейтрализуют друг друга при вычислительном сравнении.

‍

Упрощенная схема двусторонней спутниковой передачи времени и частоты (TWSTFT) сравнение атомных часов. Время передачи по атомным часам одного института (красная стрелка, ΔT1) сравнивается со временем передачи по TDC другого института (синяя стрелка, ΔT2).

Спутниковые каналы не подходят для сравнения оптических часов, так как достигнутая более высокая точность сигнала времени теряется в шуме передачи. Это породило идею соединить несколько оптических часов с помощью лазерных лучей, передаваемых по оптоволоконной технологии. Этот подход уже увенчался успехом в нескольких экспериментах, в том числе в одном в Боулдере в 2021 году с тремя атомными часами, расположенными на расстоянии около 1,5 км друг от друга, которые можно было точно синхронизировать друг с другом в течение восьми месяцев. Измеренные различия хода часов были заметны только после семнадцатого знака после запятой, что примерно соответствовало точности каждого отдельного атомного часа. Долгосрочная цель состоит в том, чтобы построить глобальная сеть оптических атомных часов .

‍

В чем преимущество необычайной точности атомных часов?

‍

Даже если большинство людей считают, что для повседневной жизни им достаточно измерения времени с точностью до секунды, все мы косвенно выигрываем от существования и глобальной синхронизации атомных часов. И не только потому, что они задают тон радиоуправляемым часам и станционным часам. Точное измерение времени играет важную роль, в частности, в исследованиях, а также, например, в мировой торговле и навигации. Есть много примеров приложений, некоторые из которых мы хотели бы упомянуть здесь.

Вероятно, наиболее известным применением атомных часов является передача времени через радиопередатчики сигнала времени . Многие правительства используют передатчики для хронометража, которые доступны для широкого спектра инструментов и имеют задержку передачи около 1 мс на каждые 300 км от радиопередатчика. Обычные радиочасы также автоматически синхронизируются с атомными часами, используемыми для этой цели, но они полагаются исключительно на амплитудно-модулированные сигналы времени и используют узкополосные приемники (с полосой пропускания 10 Гц) с очень маленькими ферритовыми рамочными антеннами. Из-за низкой стоимости обработки сигнала они могут определять начало секунд только с практической погрешностью ± 0,1 секунды. Сразу после успешной синхронизации они наиболее точны и становятся все более неточными до следующей синхронизации.

Особенно широкое применение атомных часов, конечно, спутниковая навигация , которая основана на времени пролета сигналов, передаваемых спутниками. Все отдельные спутники американской GPS, европейской Galileo, российской Глонасс и китайской Beidou оснащены атомными часами. По времени прохождения сигналов нескольких спутников положение можно определить с помощью приемных устройств. Точность измерения времени играет центральную роль. Даже отклонение всего в одну миллионную долю секунды приведет к тому, что определенное положение приемника будет ошибочным на несколько сотен метров. Чем лучше синхронизированы атомные часы спутников, тем более точное положение можно определить с помощью спутниковой навигации.

В радиоастрономии (РСДБ) атомные часы используются, например, для наблюдения за стабильностью пульсаров, вращением Земли и другими периодическими явлениями.

В фундаментальных исследованиях атомные часы помогают исследовать физические константы и прояснить вопрос, действительно ли они остаются неизменными во времени. Теория относительности Эйнштейна не только поддается проверке с помощью атомных часов, но и открывает невообразимые возможности для более высокой геодезии. В конце концов, теория Эйнштейна подразумевает, что массы влияют не только на пространство, но и на время.

Теория относительности Эйнштейна не только поддается проверке с помощью атомных часов, но и открывает невообразимые возможности для высшей геодезии . Так как время течет медленнее вблизи больших масс, то это имеет место и по мере приближения к центру тяжести Земли. Следовательно, сеть связанных часов с соответствующей точностью могла бы позволить всесторонне измерить гравитационное поле Земли. Наблюдая за частотным сдвигом оптических часов с зацеплением, можно было бы сказать, например, смещаются ли земные плиты относительно друг друга или существует ли какая-либо форма геологической активности в рассматриваемом месте. Центральным эталонным параметром является так называемый геоид, описывающий гипотетическую поверхность, на которой везде на земном шаре преобладает точно такая же гравитационная сила. Эта опорная поверхность для измерения высоты ни в коем случае не является сферой из-за различного распределения массы и различных флуктуаций плотности. Это потому, что каждое тектоническое движение плит и каждое землетрясение изменяет распределение массы Земли. Точное знание подъема или опускания массивов суши с течением времени помогает геологам определить, где наиболее вероятны землетрясения и извержения вулканов .

Атомные часы незаменимы для фазовой синхронизации быстрых сетей передачи данных (распределенных беспроводных сетей), так как данные передаются на большие расстояния с помощью оптических волокон. При этом часы передачи и приема должны быть синхронизированы на обоих концах линий передачи, в противном случае невозможно четкое назначение отдельных битов.

В банковском секторе, а точнее в сфере высокоскоростной торговли на биржах ценных бумаг точная синхронизация торговых часов является необходимым условием для того, чтобы регулирующие органы различали порядок получения и исполнения торговых запросов. Таким образом, можно обнаружить злоупотребление рынком. Это связано с тем, что трейдеры, использующие передовые, мощные и быстрые компьютерные сети, в противном случае могли бы манипулировать рынками ценных бумаг, изменяя цены ценных бумаг, которыми они торгуют.

‍
Кредиты:

Большое спасибо д-ру Стефану Вейерсу, руководителю рабочей группы «Единица времени» @ PTB за его исключительную поддержку этой статьи.