Содержание
изобретены самые точные часы в мире – Москва 24, 10.03.2016
10 марта 2016, 22:20
Наука
Фото: ТАСС/Валерий Бушухин
Новости из мира техники не перестают удивлять: ученые из немецкого города Брауншвейга создали самые точные атомные часы в мире. Они в сто раз точнее уже существующих аналогов. О чудо-часах и их предшественниках – в материале m24.ru.
Новинка
Ранее Брауншвейг в уме практически любого россиянина ассоциировался лишь с популярным сортом колбасы, который выпускается практически всеми мясокомбинатами страны. Теперь эта тенденция может отойти в прошлое: физики из этого города сотворили часы, которые работают на основе иона иттербия.
Механизм часов изменяет вибрацию ионов иттербия несколько триллионов раз в секунду, что позволяет добиться недостижимой ранее точности.
Иттербий – это редкоземельный металл. По внешнему виду он вязкий, ковкий и серебристый. Кроме того, иттербий обладает уникальным свойством, которое делает его незаменимым для физиков-атомщиков: его ионы (заряженные частицы) могут находиться в двух стабильных энергетических состояниях одновременно.
«Познавательный фильм»: «НИЦ «Планета»
В первом из состояний ион колеблется с точным резонансом. В таком состоянии ион может находиться около шести лет, при этом на него не нужно никак воздействовать. Во втором состоянии разброс резонансной частоты намного больше, а ионы можно использовать как высокочувствительные датчики.
В предыдущих часах использовались атомы цезия, которые обладали значительно меньшей частотой колебаний по сравнению с иттербием. Поэтому точность таких механизмов была намного ниже.
Вообще говоря, атомные часы в нашей повседневной жизни практически не используются. Они применяются в навигации, для определения положения космических кораблей, спутников, самолетов и подводных лодок. Еще одно применение таких часов – военное дело. Тайминг водородных бомб отсчитывается при помощи именно таких часов.
Привычное
В настоящее время наибольшее распространение имеют кварцевые и механические часы. В первых в качестве системы колебаний применяется кристалл кварца, а во вторых – гиревой механизм.
Первые часы недолговечны, но считаются более точными, в свою очередь, механические – практически вечны. Их долговечность определяется возможностью проводить ремонт в любой момент, когда гиревой механизм выйдет из строя или собьется.
Фото: m24.ru/Михаил Сипко
Наши современные часы показались бы удивительно точными нашим предкам, которые измеряли время при помощи песочных, солнечных или водяных часов. Строго говоря, время они измеряли достаточно приблизительно, кроме того, существовал немаленький риск того, что в дождливую погоду солнечные часы будут вообще бесполезными.
Механические часы появились в Средние века и быстро стали не только способом измерения времени, но и предметом стиля. Неспроста профессия часовщика считалась крайне престижной!
Зачем нужны исключительно точные часы
Вопрос нельзя назвать праздным, поскольку в повседневной жизни для подавляющего большинства из нас доли секунды не имеют никакого значения.
Однако едва ли такие соображения могут применяться при космических технологиях.
Предыдущие атомные часы, действовавшие на основе ионов цезия, давали ошибку – недобор секунды за несколько миллионов лет.
Если посмотреть на это с точки зрения нашего земного времени, то ошибка покажется совершенно несущественной. Человеческая жизнь очень коротка, и за ее время часы не дадут сбоя. А если и обнаружатся какие-то незначительные отклонения, то речь идет о миллиардных долях секунды.
А вот если посмотреть на время через призму существования Вселенной, которой примерно 15 миллиардов лет, то ошибка будет уже достаточно большой. Иными словами, существовавшие часы нельзя назвать абсолютно точными. Но погрешность была исправлена благодаря иттербию. Сейчас мы можем констатировать, что новые часы за все время существования Вселенной не ошиблись бы ни на секунду.
наука время изобретения атомные часы обо всем
Самые точные часы в мире находятся в Подмосковье
16 марта 2018
360tv.ru
Государственный эталон времени и частоты (ГЭВЧ) был утвержден Госстандартом в 2012 году, а последние пять месяцев ГЭВЧ России стал лучшим в мире.
Кто и как контролирует ход времени, разбирался корреспондент «360».
Фото: 360tv.ru360tv.ru
В Солнечногорском районе в поселке Менделеево за высоким массивным забором расположились здания Всероссийского
Видео дня
научно-исследовательского
института
физико-технических
измерений. В одном из них ученые следят за временем. Во всех смыслах. Официально должность ученого так и звучит — хранитель времени. Уже полвека он следит, чтобы главные часы в стране шли точно до наносекунды.
Собственно часы расположены в соседних помещениях на этом этаже и этажом выше, а сюда приходят их сигналы — Николай Кошеляевский, начальник лаборатории № 713 Главного метрологического центра Государственной службы времени и частоты РФ.
16 сигналов от 16 часов сравнивают между собой в этой комнате. И таким образом контролируют их ход. Отставание на одну миллиардную тут же становится явным.
А вот так выглядят сами часы, водородные, высокотехнологичные — разработка российских ученых, аналогов которой в мире нет.
На данный момент это самые точные часы на планете Земля.
За последние 5 месяцев мы
самые-самые
, мы показали самые лучшие результаты по сравнению с другими эталонами, по оценке из Франции
— Сергей Донченко, генеральный директор ФГУП «ВНИИФТРИ».
Международное бюро мер и весов, расположенное в предместье Парижа — то место, куда ученые всех стран каждый день отправляют данные о времени. Американцы, немцы, сами французы и все остальные. Страны сверяются друг с другом и определяют самые точные показания.
То время, которое мы формируем здесь в лаборатории, мы передаем в систему ГЛОНАСС, а они на спутник, после чего оно распространяется
— Игорь Блинов, заместитель генерального директора ФГУП «ВНИИФТРИ».
От точности времени зависят навигация, система координат, например, вашего автомобиля. И если спортсмену на Олимпиаде важна каждая сотая секунды, спутниковой системе ГЛОНАСС нужны данные вплоть до миллиардной доли, то же самое касается сотовой связи.
Рассинхрон по времени может привести к коллапсу.
что-то
случится с навигационными системами, то сотовая связь пропадет примерно через сутки, потому что все часы и все стандарты разбегутся, и мы не сможем связаться с потребителями
— Сергей Донченко, генеральный директор ФГУП «ВНИИФТРИ».
Именно поэтому операторы сотой связи, банки, энергетики, аэропорты, вокзалы и логистические компании сверяют свои часы с эталоном времени и звонят во Всероссийский
научно-исследовательский
институт
физико-технических
и радиотехнических измерений, который расположен в Московской области. В день поступает до 150 миллионов запросов.
Другое,Игорь Блинов,
Новый тип атомных часов еще точнее отсчитывает время | MIT News
Атомные часы — самые точные хронометры в мире. Эти изысканные инструменты используют лазеры для измерения вибраций атомов, которые колеблются с постоянной частотой, подобно многим микроскопическим маятникам, раскачивающимся синхронно.
Лучшие атомные часы в мире показывают время с такой точностью, что, если бы они шли с самого начала Вселенной, сегодня они отставали бы всего на полсекунды.
Тем не менее, они могли бы быть еще точнее. Если бы атомные часы могли более точно измерять колебания атомов, они были бы достаточно чувствительными, чтобы обнаруживать такие явления, как темная материя и гравитационные волны. Имея более совершенные атомные часы, ученые могли бы также начать отвечать на некоторые головокружительные вопросы, например, какое влияние может оказывать гравитация на течение времени и меняется ли само время по мере старения Вселенной.
Теперь новый вид атомных часов, разработанный физиками Массачусетского технологического института, может позволить ученым исследовать такие вопросы и, возможно, открыть новую физику.
Исследователи сообщили сегодня в журнале Nature , что они построили атомные часы, которые измеряют не облако беспорядочно колеблющихся атомов, как сейчас измеряют современные разработки, а атомы, которые были квантово запутаны.
Атомы коррелированы таким образом, который невозможен по законам классической физики, и это позволяет ученым более точно измерять колебания атомов.
Новая установка может достигать той же точности в четыре раза быстрее, чем часы без запутанности.
«Оптические атомные часы с улучшенной запутанностью будут иметь потенциал для достижения большей точности за одну секунду, чем современные современные оптические часы», — говорит ведущий автор Эдвин Педрозо-Пеньафиль, постдоктор Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института. .
Если бы современные атомные часы были приспособлены для измерения запутанных атомов так, как это делает установка группы Массачусетского технологического института, их синхронизация улучшилась бы так, что на протяжении всего возраста Вселенной часы отставали бы менее чем на 100 миллисекунд. .
Другими соавторами статьи из Массачусетского технологического института являются Симона Коломбо, Чи Шу, Альберт Адиятуллин, Зеян Ли, Энрике Мендес, Борис Браверман, Акио Кавасаки, Сайсуке Акамацу, Яньхун Сяо и Владан Вулетич, профессор физики имени Лестера Вулфа.
Ограничение по времени
С тех пор как люди начали отслеживать ход времени, они делали это с помощью периодических явлений, таких как движение солнца по небу. На сегодняшний день колебания в атомах являются наиболее устойчивыми периодическими явлениями, которые могут наблюдать ученые. Более того, один атом цезия будет колебаться с той же частотой, что и другой атом цезия.
В идеале часы должны отслеживать колебания одного атома. Но в этом масштабе атом настолько мал, что ведет себя в соответствии с таинственными правилами квантовой механики: при измерении он ведет себя как подброшенная монета, которая только при усреднении по множеству подбрасываний дает правильные вероятности. Это ограничение физики называют стандартным квантовым пределом.
«Когда вы увеличиваете количество атомов, среднее значение всех этих атомов приближается к чему-то, что дает правильное значение», — говорит Коломбо.
Вот почему современные атомные часы предназначены для измерения газа, состоящего из тысяч атомов одного типа, чтобы получить оценку их средних колебаний.
Типичные атомные часы делают это, сначала используя систему лазеров, чтобы загнать газ сверхохлажденных атомов в ловушку, образованную лазером. Второй, очень стабильный лазер с частотой, близкой к частоте колебаний атомов, направляется для исследования атомных колебаний и, таким образом, отслеживания времени.
И тем не менее, Стандартный Квантовый Предел все еще действует, а это означает, что даже среди тысяч атомов все еще существует некоторая неопределенность в отношении их точных индивидуальных частот. Именно здесь Вулетик и его группа показали, что квантовая запутанность может помочь. В общем, квантовая запутанность описывает неклассическое физическое состояние, в котором атомы в группе показывают коррелированные результаты измерений, даже если каждый отдельный атом ведет себя как случайный подбрасывание монеты.
Команда пришла к выводу, что если атомы запутаны, их индивидуальные колебания будут стягиваться вокруг общей частоты с меньшим отклонением, чем если бы они не были запутаны.
Таким образом, средние колебания, которые могли бы измерить атомные часы, имели бы точность за пределами стандартного квантового предела.
Запутанные часы
В своих новых атомных часах Вулетик и его коллеги запутывают около 350 атомов иттербия, который колеблется с той же очень высокой частотой, что и видимый свет, то есть любой атом вибрирует в 100 000 раз чаще за одну секунду, чем цезий. Если колебания иттербия можно точно отследить, ученые смогут использовать атомы, чтобы различать все меньшие интервалы времени.
Группа использовала стандартные методы для охлаждения атомов и их захвата в оптический резонатор, образованный двумя зеркалами. Затем они отправили лазер через оптическую полость, где он щелкнул между зеркалами, тысячи раз взаимодействуя с атомами.
«Это похоже на то, что свет служит связующим звеном между атомами», — объясняет Шу. «Первый атом, который увидит этот свет, немного изменит свет, и этот свет также изменит второй атом и третий атом, и через множество циклов атомы коллективно узнают друг друга и начнут вести себя одинаково».
Таким образом, исследователи квантово запутывают атомы, а затем используют другой лазер, аналогичный существующим атомным часам, для измерения их средней частоты. Когда команда провела аналогичный эксперимент без запутанных атомов, они обнаружили, что атомные часы с запутанными атомами достигают желаемой точности в четыре раза быстрее.
«Вы всегда можете сделать часы более точными, измеряя их дольше», — говорит Вулетик. «Вопрос в том, сколько времени нужно для достижения определенной точности. Многие явления необходимо измерять в быстрых временных масштабах».
Он говорит, что если современные атомные часы можно будет приспособить для измерения квантово запутанных атомов, они не только будут показывать более точное время, но и помогут расшифровать сигналы во Вселенной, такие как темная материя и гравитационные волны, и начать отвечать на некоторые извечные вопросы.
«Изменяется ли скорость света по мере старения Вселенной? Изменяется ли заряд электрона?» — говорит Вулетик.
«Это то, что вы можете исследовать с помощью более точных атомных часов».
Это исследование было частично поддержано DARPA, Национальным научным фондом и Управлением военно-морских исследований.
Поделитесь этой новостной статьей:
Упоминания в прессе
Popular Mechanics
Исследователи Массачусетского технологического института разработали новые атомные часы, которые могут более точно показывать время благодаря использованию запутанных атомов, сообщает Лейла Штейн для Popular Mechanics . «Если бы все атомные часы работали так, как эти, то их время на протяжении всего возраста Вселенной было бы меньше, чем на 100 миллисекунд», — пишет Стейн.
Полная история через Popular Mechanics →
Ссылки по теме
- Владан Вулетич
- Научно-исследовательская лаборатория электроники
- MIT-Гарвардский центр ультрахолодных атомов
- Факультет физики
- Научная школа
1 90 Где самые точные часы в мире?
Старинные атомохронные часы.
Редакционный кредит: karenfoleyphotography / Shutterstock.com
Самые точные часы в мире находятся в США. Часы были построены Национальным институтом стандартов и технологий совместно с Колорадским университетом в Боулдере. Часы настолько точны, что ни одна секунда не потеряна за весь возраст Вселенной. Для большинства людей, которые живут днями, часами или мгновениями, необходимость разбивать время на более мелкие части для повышения точности может показаться бессмысленной. Однако важность точности времени нельзя недооценивать, особенно в современном мире, где технологии с поддержкой GPS играют центральную роль в нашей повседневной жизни, включая путешествия и военные приложения.
История за часами
Наше раннее понимание единиц времени, таких как секунда, было основано на технологии, разработанной в 1940-х годах, и последующем научном консенсусе в 1967 году.
Ранее секунда описывалась как 0,000 011 574 средних солнечных суток. Однако неравномерное вращение Земли сделало измерение времени неточным. Сегодняшние сверхточные часы основаны на работах Исидора Раби, профессора физики Колумбийского университета, который овладел методом магнитного резонанса атомного луча в 19 веке.30 с. Этот метод исследовал идею воздействия на субатомные частицы излучения определенной частоты, чтобы вызвать «скачок» электронов, которые обычно вращаются вокруг ядра атома. Измерение движений было более точным по сравнению с классическими методами, используемыми для определения времени. Национальное бюро стандартов построило первые атомные часы в 1949 году. Точность атомных часов помогла ученым переопределить секунду как единицу времени в 1967 году. Текущее определение секунды — это время, которое проходит в течение 9,192 631 770 циклов излучения, созданных переходом между уровнями атомов цезия 133.
Как устроены новые часы
Новые часы оптимизируют предыдущие методы, используя стронций 87, атомы которого тикают с частотой фемтосекунд (1 миллион миллиардов раз в секунду).
Часы имеют тысячи атомов стронция в переохлажденном состоянии, расположенных в трехмерной решетке. Атомы заставляют начать вибрировать с помощью красного лазера, настроенного на частоту стронция. Затем вибрация считывается с помощью оптического частотного гребня. Часы настолько точны, что из 10 квинтиллионов «тиков» около 3,5 не будут синхронизированы.
Приложения
В прошлом было замечено, что атомные часы достаточно точны, чтобы откалибровать влияние гравитации на время, просто перемещая их вверх и вниз на несколько сантиметров, и новые часы помогут лучше изучить это явление. Более точные часы также будут иметь большое значение для улучшения GPS и других технологий, зависящих от времени. Точные часы также можно использовать для лучшего понимания внутренних слоев Земли и, таким образом, для предсказания погоды и вулканической активности.