Содержание
Точность измерения частоты атомных часов увеличили в полтора раза
Американские физики повысили точность определения частоты атомных часов в полтора раза. Теперь она достигает 2,5×10−19, что соответствует накоплению ошибки в 1 секунду за несколько сотен миллиардов лет. Добиться этого удалось за счет одновременного измерения квантового состояния нескольких тысяч атомов стронция, составленных в упорядоченную трехмерную решетку. Такая точность позволит использовать эти часы, например, для детектирования гравитационных волн, пишут ученые в Physical Review Letters.
Атомные часы — наиболее точный на данный момент инструмент для измерения времени. Он основан на определении частоты периодических электронных переходов между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах щелочных или щелочноземельных металлов. Стабильность работы атомных часов определяется отношением отклонения частоты от своего начального значения к самой частоте и для большинства атомных часов составляет около 10-15.
Максимально точные на сегодняшний день атомные часы представляют собой трехмерные решетки из атомов стронция, конфигурация которых зафиксирована с помощью лазерных ловушек, и неопределенность определения их точности составляет примерно 10-18. Эти измерения основаны на определении частоты перехода в отдельных атомах стронция, которые находятся в состоянии вырожденного Ферми-газа. При этом ученые считают, что если точность определения частоты электронных переходов можно дополнительно повысить за счет анализа связанных квантовых состояний всех атомов в решетке, то атомные часы могут значительно расширить область своих применений. В частности, предполагается, что с помощью них можно будет измерить гравитационное красное смещение, и для этого будет достаточно лишь вакуумной камеры.
В своей новой работе та же группа ученых, которая создала самые точные стронциевые атомные часы, под руководством Юна Йе (Jun Ye) из Национального института стандартов и технологий США (NIST) разработала метод повышения точности измерения частоты энергетических переходов, определяя квантовое состояние атомов стронция в трехмерной решетке с рекордным пространственным разрешением.
Предложенный физиками метод сочетает в себе оптическую спектроскопию и микроскопию высокого разрешения.
С помощью этого метода физики исследовали систему, состоящую из примерно 10 миллионов атомов стронция-87, охлажденных лазером до температуры 3 микрокельвина. Благодаря использованию оптических ловушек из той части атомов, которая находилась в нужном спиновом состоянии (их было около 10 тысяч), ученые выстроили упорядоченную трехмерную решетку, внешним магнитным полем ориентировали их спины, после чего лазерными импульсами перевели атомы в возбужденное состояние. После этого с помощью метода спектроскопии поглощения в видимой области ученые построили карты распределения квантового состояния атомов в решетках атомных часов.
Пространственное разрешение метода составило 1,1 микрометра и позволило определить квантовое состояние каждого атома в трехмерной оптической решетке в каждый момент времени. Согласно данным измерений, время когеренции атомов в решетке в среднем составляет около 4 секунд, а в отдельных случаях может достигать и 15 секунд.
При этом за счет того, что одновременно можно проанализировать тысячи атомов, которые находятся в когерентном состоянии, ученым удалось значительно повысить и точность определения частоты переходов, а именно она в такой системе определяет и стабильность работы атомных часов.
Физики провели около тысячи измерений в течение шести часов, по результатам которых вычислили неопределенность при измерении частоты атомных часов. Она составила 2,5×10−19, что примерно в полтора раза лучше предыдущего рекорда. С учетом того, что частота самих часов составляет 429 терагерц, такая точность определения частоты соответствует абсолютной неопределенности в 100 микрогерц.
По утверждением авторов работы, полученные результаты могут использоваться для изучения фундаментальных эффектов квантовой физики и изучения явлений в системах из нескольких или многих тел. Возможными способами использования таких систем ученые называют детектирование гравитационных волн, а также исследование взаимосвязи квантовой механики и общей теории относительности на миллиметровом масштабе.
Поскольку атомные часы основаны на определении частоты периодических электронных переходов в атоме, то сделать из них механическую колебательную систему с наглядным способом измерения времени невозможно. Самые точные механические часы сделала недавно группа физиков из Австрии и Германии. Роль стрелок в них выполняют левитирующие кремниевые цилиндры. Точность таких часов примерно на 8 порядков меньше, чем атомных, тем не менее и для таких часов ошибка в одну секунду набежала бы при их непрерывной работе примерно за 11 тысяч лет.
Александр Дубов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
зачем науке будущего нужно так точно измерять время
Елизавета
Приставка
Новостной редактор
Атомные часы — это сверхточные инструмент измерения времени, который сегодня имеет ничтожную погрешность в секунду на несколько миллиардов лет.
Такой механизм не носят на руке, чтобы не опоздать на работу, а используют для того, чтобы вычислять огромные расстояния между планетами, при отображении глобальных карт и даже для того, чтобы измерить искажение пространства-времени. Подробнее о том, почему наука не может обойтись без атомных часов.
Читайте «Хайтек» в
Как атомные часы измеряют время
В конструкции атомных часов есть кварцевый кристалл: он сжимается и разжимается, именно этот процесс заставляет часы работать. Этот процесс контролируют колебания внутри атома. Эти колебания — периодические переходы между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах.
Чтобы понять, как это работает, нужно вспомнить строение атома. В центре есть ядро, которое заряжено положительно: вокруг находятся заряженные отрицательно электроны, каждый на своей орбите. При этом каждый из них находится на конкретном энергетическом уровне, то есть имеет то или иное количество энергии за счет притяжения к ядру.
Этот уровень можно изменить, если послать электрону большее количество энергии, для этого можно, например, нагреть атом. Потом электрон снова вернется на свой уровень и отдаст излишки в виде излучения. Вот на этом излучении все и построено: оно имеет определенную частоту и напоминает маятник в часах.
Сегодня атомные часы могут работать на атомах рубидия, стронция, водорода: принцип от этого не меняется.
Конструкцию атомных часов постоянно улучшают, например, был изобретен механизм, который отстает на одну секунду раз в несколько сотен миллиардов лет.
Без атомных часов не будет навигации на Земле и в космосе
Атомные часы нужны в первую для навигации: ГЛОНАСС и GPS, так как эти системы определяют расстояние по времени, за которое сигнал проходит от точки на Земле до спутника и обратно. Часы используют для измерения расстояния между объектами исходя из замеров, сколько времени требуется сигналу для перемещения из точки A в точку Б.
В настоящее время для навигации, чтобы точно определить местоположение космического корабля, используются атомные часы на Земле размером с холодильник.
Может пройти больше часа, пока сигнал дойдет до космического корабля и вернется на Землю.
По этим данным вычисляются координаты и инструкции: их отправляют обратно на космический корабль.
Если на борту космического корабля будут собственные часы, то он сможет сам рассчитывать свою траекторию. Это позволит путешествовать дальше и безопасно транспортировать людей на другие планеты.
Узнать расстояние между планетами с помощью атомных часов
Но основной заказчик атомных часов — астрономы. Они используют атомные часы, чтобы измерять огромные расстояния в космосе и определять, сколько нас отделяет от определенной планеты или астероида.
Для этого они посылают сигнал и фиксируют время его возвращения.
Если погрешность будет хоть на секунду, то можно потерять примерно триста тысяч километров в точности.
Как атомные часы помогут найти темную материю
Темная материя может воздействовать на нашу обычную материю и у этого должны быть последствия. Одним из них может быть изменение постоянной тонкой структуры, одной из фундаментальных физических констант.
Постоянная тонкой структуры — это отношение скорости вращения электрона на первой орбитали к скорости света, и она равна примерно 0,007.
Ученые ранее считали, что эта константа всегда равна одной и той же величине, но, как показали недавние открытия она может незначительно меняться.
По одной из теорий, темная материя — это топологические дефекты пространства, возникшие во время Большого взрыва. Они могут повлиять на постоянную.
Ученые использовали несколько атомных часов, так как дефекты топологии должны действовать на отдаленные предметы в пространстве по-разному должны действовать на разные часы, разнесенные в пространстве.
Для того, чтобы повысить точность, авторы объединили часы для повышения точности в сеть из четырех устройств, каждое находилось в одной из стран: в Польше, США, Японии и Франции. Данные от всех устройств сводятся вместе, чтобы анализировать топологические эффекты.
Сверхточные атомные часы смогут измерить искажение пространства-времени
Ученые уверены, что достаточно точные атомные часы могут служить инструментом, измеряющим, как объекты за счет гравитации искажают окружающее пространство.
Физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере использовали лазеры и создали импровизированную ловушку для атомов: она выглядела как несколько очень маленьких чашек.
Тысячи атомов иттербия заполняют эти чашки, если воздействовать на них лазерным лучом правильной частоты,а электроны на орбите совершат переход на один энергетический уровень.
В такой системе электроны будут делать более квадриллиона переходов. Как только лазер настроен на «идеальную» частоту, начинается перевод информации из частоты лазерного излучения в сигнал, который может принять и расшифровать электронное устройство, то есть те самые часы.
Ученые смогли настроить лазер так, что теперь полученные данные помогут определить влияние гравитации на само пространство-время.
Атомные часы — это важный инструмент измерения такой эфемерной величины как время. Без него не получится отследить малейшие изменения в земном времени или измерить расстояние до соседних планет и галактик.
А в будущем атомные часы станут незаменимы при колонизации планет и изучении темной материи.
Но вряд ли когда-нибудь они станут бытовым гаджетом.
Читать далее:
Земля резко начала вращаться быстрее: почему это происходит и есть ли опасность
Потомки выживших после возможного падения астероида животных все еще обитают на Земле
Физики охладили атомы до самой низкой в мире температуры
Источники ошибок | NovAtel
Спутниковые часы
Атомные часы на спутниках GNSS очень точные, но они немного дрейфуют.
К сожалению, небольшая неточность спутниковых часов приводит к значительной ошибке в определении местоположения приемником. Например, погрешность часов в 10 наносекунд приводит к погрешности определения местоположения на 3 метра.
Часы на спутнике контролируются наземной системой управления GNSS и сравниваются с еще более точными часами, используемыми в наземной системе управления. В данных нисходящего канала спутник предоставляет пользователю оценку своего смещения часов. Как правило, точность оценки составляет около ±2 метра, хотя точность может варьироваться в зависимости от системы GNSS. Чтобы получить более точное положение, приемник GNSS должен компенсировать ошибку часов.
Одним из способов компенсации погрешности часов является загрузка точной информации о часах спутников от поставщика услуг пространственной системы дополнений (SBAS) или точного позиционирования (PPP). Точная информация о часах спутников содержит поправки на ошибки часов, рассчитанные системой SBAS или PPP.
Дополнительные сведения о SBAS и PPP см. в главе 5.
Другой способ компенсации погрешности часов — использование конфигурации приемника дифференциальной GNSS или кинематики реального времени (RTK). В главе 5 подробно обсуждаются дифференциальные GNSS и RTK.
Ошибки орбиты
Спутники GNSS перемещаются по очень точным, хорошо известным орбитам. Однако, как и спутниковые часы, орбиты немного различаются. Кроме того, как и в спутниковых часах, небольшое изменение орбиты приводит к значительной ошибке в вычислении положения.
Наземная система управления GNSS постоянно отслеживает орбиту спутника. При изменении орбиты спутника наземная система управления отправляет на спутники поправку, и эфемериды спутников обновляются. Даже с поправками от наземной системы управления GNSS все еще есть небольшие ошибки на орбите, которые могут привести к ошибке положения до ± 2,5 метра.
Одним из способов компенсации ошибок спутниковой орбиты является загрузка точной информации об эфемеридах из системы SBAS или поставщика услуг PPP.
SBAS и PPP более подробно обсуждаются в главе 5.
Другой способ компенсации ошибок спутниковой орбиты – использование дифференциальной конфигурации приемника GNSS или RTK. Дополнительные сведения о дифференциальных GNSS и RTK см. в главе 5.
Ионосферная задержка
Ионосфера – это слой атмосферы на высоте от 80 км до 600 км над землей. Этот слой содержит электрически заряженные частицы, называемые ионами. Эти ионы задерживают спутниковые сигналы и могут вызывать значительную погрешность определения местоположения спутника (обычно ±5 метров, но может быть больше в периоды высокой ионосферной активности).
Ионосферная задержка зависит от солнечной активности, времени года, сезона, времени суток и местоположения. Из-за этого очень сложно предсказать, насколько сильно ионосферная задержка влияет на расчетное положение.
Ионосферная задержка также зависит от радиочастоты сигнала, проходящего через ионосферу. Приемники GNSS, которые могут принимать более одного сигнала GNSS, например L1 и L2, могут использовать это в своих интересах.
Сравнивая измерения для L1 с измерениями для L2, приемник может определить величину ионосферной задержки и удалить эту ошибку из вычисленного положения.
Для приемников, которые могут отслеживать только одну частоту GNSS, модели ионосферы используются для уменьшения ошибок ионосферной задержки. Из-за различной природы ионосферной задержки модели не так эффективны, как использование нескольких частот для устранения ионосферной задержки.
Ионосферные условия очень похожи в пределах локальной области, поэтому базовая станция и подвижные приемники испытывают очень похожую задержку. Это позволяет дифференциальным системам GNSS и RTK компенсировать ионосферную задержку.
Тропосферная задержка
Тропосфера — это ближайший к поверхности Земли слой атмосферы.
Колебания тропосферной задержки вызваны изменением влажности, температуры и атмосферного давления в тропосфере.
Поскольку тропосферные условия очень похожи в пределах локальной зоны, базовая станция и мобильные приемники испытывают очень похожую тропосферную задержку.
Это позволяет дифференциальным системам GNSS и RTK компенсировать тропосферную задержку.
Приемники GNSS также могут использовать тропосферные модели для оценки количества ошибок, вызванных тропосферной задержкой.
Шум приемника
Шум приемника относится к ошибке определения местоположения, вызванной аппаратным и программным обеспечением приемника GNSS. Высококачественные приемники GNSS, как правило, имеют меньший уровень шума, чем более дешевые приемники GNSS.
Многолучевое распространение
Многолучевое распространение возникает, когда сигнал GNSS отражается от объекта, например стены здания, к антенне GNSS. Поскольку отраженный сигнал распространяется дальше, чтобы достичь антенны, отраженный сигнал достигает приемника с небольшой задержкой. Этот задержанный сигнал может привести к тому, что приемник вычислит неправильное местоположение.
Самый простой способ уменьшить ошибки многолучевости — разместить антенну GNSS в месте, удаленном от отражающей поверхности.
Если это невозможно, приемник и антенна GNSS должны работать с многолучевыми сигналами.
Многолучевые ошибки с большой задержкой обычно обрабатываются приемником GNSS, а ошибки многолучевого распространения с короткой задержкой обрабатываются антенной GNSS. Из-за дополнительной технологии, необходимой для работы с многолучевыми сигналами, приемники и антенны GNSS высокого класса, как правило, лучше подавляют ошибки многолучевости.
Заключительные замечания
В этой главе описаны источники ошибок , которые вызывают неточности в расчете местоположения. В главе 5 мы опишем методы, которые приемники GNSS используют для уменьшения этих ошибок и обеспечения более точного положения.
Определение точности атомных часов по измеренной частоте в Гц, погрешности и биению в Гц
спросил
Изменено
7 лет, 1 месяц назад
Просмотрено
162 раза
$\begingroup$
У меня есть вопрос, где $200,000\,{\rm Гц}$ применительно к атомам цезия и из несовпадения с собственной частотой атома, мы получаем «биение» $2\,{\rm Гц}$.
Ошибка $1\%$. Тогда точность часов составляет 1 доллар из 10 000 000 долларов.
Как они получили 10 000 000$?
Я предполагаю, что поскольку $1\%$ от $2\,{\rm Гц}$ равно $0,02\,{\rm Гц}$:
$$\frac{0,02\,{\rm Гц}}{200 000 \,{\rm Гц}} = \frac{2}{20,000,000} = \frac{1}{10,000,000}$$
Если биение равно $150\,{\rm Гц}$ и ошибка $0,002\%$ тогда какова точность часов? Меня смущает частота, применяемая к атому, должен ли я повторно использовать 200 000 долларов США \, {\ rm Гц} $? Единственной другой частотой является собственная частота атома цезия — $9200\,{\rm МГц}$.
- атомная физика
- частота
- атомные часы
$\endgroup$
2
$\begingroup$
Пример на первой странице немного сбивает с толку, потому что он не имеет ничего общего с цезием. Это дает гипотетический пример измерения частоты $F$ относительно гипотетического стандартного генератора на 200 кГц.
Если частота биений равна $F_b$, неизвестная частота $F$ определяется как:
$$ F = 200000 \pm F_b \tag{1} $$
Мне непонятно, как статья разрешает двусмысленность или следует ли использовать $+$ или $-$, но давайте пока проигнорируем это и предположим, что это $+$, поэтому $F \ приблизительно 200002$ Гц. В любом случае, если ошибка измерения $F_b$ равна $\Delta F_b$, то уравнение (1) говорит нам, что ошибка измерения $F$ также будет равна $\Delta F_b$, поскольку мы предполагаем, что генератор с частотой 200 000 Гц не имеет ошибки. Таким образом, дробная ошибка определяется как:
$$ \frac{\Delta F_b}{F} $$
В статье говорится, что мы можем измерить $F_b$ как 2 Гц с ошибкой 1%, т.е. 0,02 Гц, поэтому $\Delta F_b = 0,02$ Гц, а дробная ошибка:
$$ \frac{0,02}{ 200000} $$
, что равно 1 из десяти миллионов.
Вопрос 3 выполняет аналогичный расчет, используя цезий в качестве опорной частоты. В этом случае мы имеем:
$$ F = F_{Cs} + F_b $$
, где $F_{Cs}$ равно 9 192 631 770 Гц по определению, а $F_b$ равно 150 Гц.