Самые точные часы в мире: рейтинг самых точных наручных механических и кварцевых часов

рейтинг самых точных наручных механических и кварцевых часов

Содержание

• Мирный атом
• Какие наручные часы являются самыми точными?
  • Механические часы
  • Кварцевые часы
  • Электронные часы
• Немного о радиоконтроле

Когда-то люди определяли время по солнцу. Солнечные часы давали огромную погрешность, но при том ритме жизни десять минут туда-сюда не имели особого значения. Потом появились всевозможные песочные, водяные и прочие часы, но с их помощью можно было измерять лишь небольшие промежутки времени.

Сейчас мы значительно ускорились, требования к точности показаний времени неимоверно возросли. Ныне погрешность, измеряемая в десятках секунд в сутки, считается высокой. А в некоторых областях нашей жизни имеют значение и доли секунды.

Часовые компании соревнуются друг с другом, пытаясь предложить потребителю самые точные устройства. Но и они находятся в жестких условиях: большинство потребителей не готовы выкладывать сотни тысяч долларов за эталонную точность.

Точность хода часов напрямую зависит от типа устройства. После этого в ход вступают и прочие факторы: угол наклона, воздействие магнитного поля земли, состояние механизма или электроники, аккуратность исполнения и так далее.

Тем не менее давайте посмотрим, какие часы являются самыми точными и можно ли надеть их на руку.

Мирный атом

Самые точные в мире часы – это прибор, принцип действия которого основан на внутримолекулярных (атомарных) процессах. Их так и называют, атомными, реже – молекулярными или квантовыми. В основу большинства известных ныне квантовых часов положены колебания атома цезия-133, так что именно этот элемент является эталоном измерения времени.

Первые атомные часы были созданы более полувека назад, в 1967 году. Сразу с момента изобретения они нашли широчайшее применение в навигации, военной и космической технике, связи и некоторых других областях.

Первые атомные часы

Благодаря изобретению атомных часов человечество узнало многое о времени. Например, стало известно, что наша Земля замедляет вращение. Это замедление исчисляется в долях миллисекунд, однако в свете тысячелетий это уже имеет значение.

Какими бы ни были точными атомные часы, но и они со временем устаревают и нуждаются в усовершенствованиях. Последняя разработка в этом направлении – атомные часы Quantum Logic Clock, созданные в США. На данный момент это самый точный прибор для определения времени на Земле: их погрешность составляет одну секунду за 3,7 миллиарда лет!

Атомные часы – серьезный, дорогой и отнюдь не компактный прибор. Они обычно стационарные, тем не менее на их базе был разработан и наручный вариант.

Первопроходцем в области наручных атомных часов выступила американская корпорация Bathys Hawaii. В 2013 году она презентовала миру первую, достаточно неуклюжую модель, сердцем которой стала капсула, заполненная цезием-133 в газообразном состоянии.

Со временем наручные квантовые приборы стали более стильными и компактными, однако по этим показателям им пока далеко до привычных нам моделей. Да и стоят наручные атомные часы порядка 13 тысяч долларов. В общем, на любителя, зато какая точность!

Слева — первые наручные атомные часы, справа — современная модель

Какие наручные часы являются самыми точными?

Большинство известных нам наручных часов относятся к одной из обширных групп:

• Механические. В основу действия таких часов положен механизм с баланс-спиралью, изобретенный гениальным Христианом Гюйгенсом в 1675 году, но сам принцип был разработан еще раньше, в 725 году, в Китае. Механические часы нуждаются в периодическом заводе (или автоподзаводе), обычно при помощи специальной головки. Это самый старый, заслуженный и респектабельный вариант из ныне существующих.
• Кварцевые. Так принято называть электромеханические часы, где колебательная система реализована через кристаллы кварца. Питание осуществляется от батарейки. Первой ласточкой, пролетевшей в этом направлении, принято считать Astron, выпущенные Seiko в 1969 году. Сейчас большинство часов со стрелками в низкой и средней ценовой категории являются кварцевыми.
• Электронные. Сердцем электронных часов является кварцевый генератор, создающий электромагнитные колебания. Он взаимодействует с микросхемой, а информация о времени и прочих показаниях выводится на жидкокристаллический дисплей. Питание – от миниатюрной батареи. Массовое производство и повальное увлечение электронными часами началось примерно в 70-х годах прошлого столетия.

Принцип работы электронных и кварцевых часов имеет много сходных черт. Более того: некоторые кварцевые часы, помимо классических стрелок, имеют и ЖК-дисплеи. Такие модели называют гибридными.

До изобретения атомных часов Quantum Logic Clock самыми точным в мире являлся так называемый Парижский эталон, пребывающий в Институте Времени. Это тоже квантовые часы, но показывающие время с куда более значительной погрешностью: секунда за тысячу лет.

Механические часы

Механические часы, в большинстве своем, высокой точностью не отличаются: для недорогих моделей погрешность в 7-8 секунд – это уже хороший результат, для элитарных – 2-3 секунды. И это в сутки.

Самые дорогие модели оснащаются механизмом под названием «турбийон», запатентованный французом Бреге в 1801 году (часы «брегет» помните?). Так вот, турбийон частично компенсирует воздействие магнитного поля Земли, что положительно сказывается на точности работы механизма, снижая погрешность до 1-2 секунд в сутки.

Но самыми точными на данный момент механическими часами являются фантастические Zenith Defy Lab, презентованные широкой публике в 2017 году. При их реализации были применены новые технологии и материалы, что позволило достичь сенсационных результатов.

Zenith Defy Lab

Zenith Defy Lab называют величайшим изобретением в часовой индустрии со времен Гюйгенса. И не зря: погрешность хода революционного механизма равна всего 0,3 секунды в сутки!

Запас хода составляет около 60 часов, механизм не нуждается в смазке, демонстрирует высочайшую точность даже в неблагоприятных условиях (например, высоких и низких температурах), не зависит от гравитации и магнитного поля Земли. Сплошные плюшки, только доступна такая роскошь лишь избранным: стоимость таких часиков измеряется в десятках тысяч долларов.

Если же говорить о механике в принципе, то самыми точными признаны часы Ольсена, находящиеся в ратуше Копенгагена. Механизм, состоящий более чем из 14 тысяч элементов, «грешит» лишь на секунду за 600 лет! Очень неплохой показатель, особенно если учесть, что часы Ольсена были созданы еще в 1955 году.

Раньше все часы можно было именовать хронометрами. Все правильно, ведь это приборы для измерения времени («хроноса»). Ныне так называют только особо точные модели, сертифицированные по стандарту COSC. Погрешность механического хронометра не может превышать +6/-4 секунд в день.

Кварцевые часы

Переходим к кварцевым часам. Самые дешевые кварцевые часы точнее дорогого механического хронометра. Обычные качественные модели на кварце дают погрешность в 15 секунд, но это в месяц. А у премиальных кварцевых моделей этот показатель еще ниже, около 1-3 секунд в месяц!

Продвинутые модели демонстрируют еще более высокую точность. За пальму первенства в этой номинации состязаются преимущественно японские гиганты: Casio, Citizen, Seiko и другие. Пока лидирует Citizen со своими шедевральными Chronomaster, дающими погрешность всего в 5 секунд в год.

На точность хода кварцевых часов влияет преимущественно степень износа кварцевого элемента. В целом они показывают куда более высокую устойчивость к внешним воздействиям: магнитному полю, экстремальным температурам, высокому давлению и так далее.

Именно благодаря независимости работы кварцевого генератора такие часы чаще других используются в экстремальных условиях: для туризма, выживания, альпинизма, дайвинга и так далее. Например, механические часы для дайвинга с аналогичными характеристиками будут на порядок дороже кварцевых.

Часы Citizen в каталоге Sunlight

Электронные часы

Как мы уже говорили выше, принцип действия электронных часов (не путать со смарт-часами) основан на колебаниях, создаваемых кварцевым генератором. Так что по точности электронные и кварцевые часы сопоставимы.

Однако у электронных часов есть одно уязвимое место – ЖК-дисплей, который чувствителен к воздействию внешних факторов. Поэтому среди моделей, предназначенных для нужд армии, спасателей, спортсменов-экстремалов и особенно дайверов, чистокровных электронных моделей ощутимо меньше.

Сапфировое стекло, стальной или титановый корпус и заполнение маслом способны нивелировать негативные воздействия, однако это ведет к существенному удорожанию изделия. Подобные предложения имеются в линейке спортивных часов G-Shock от Casio, но бюджетными их точно не назовешь.

Не стоит торопиться отправлять сильно грешащие часы в мусорку. Отнесите их в мастерскую: механику подрегулируют. С кварцевыми и электронными моделями сложнее: как правило, приходится менять износившийся генератор вместе с платой, что не всегда экономически целесообразно.

G-Shock от Casio

Немного о радиоконтроле

Отдельно стоит упомянуть кварцевые и электронные модели, снабженные радиомодулями. Они лоцируют местоположение благодаря связи со спутником, получают сигнал с атомных часов и синхронизируются с ними. То есть, где бы вы ни находились, вы будете знать точное время без погрешностей.

Больше всего подобных моделей предлагают традиционно японские производители. Электронные часы с радиоконтролем стоят значительно дешевле аналогичных приборов со стрелками: неплохую модель можно приобрести всего за 100 долларов. Электромеханика намного дороже. Это вполне объяснимо: изменить циферки на дисплее технически проще, нежели подвести стрелки.

Для реализации большинства наших бытовых целей сверхточность не нужна, так что покупка дорогих часов – это больше демонстрация статуса и уступка собственным хотелкам, нежели насущная необходимость. Но если в вашей жизни важны даже доли секунды, тогда придется взглянуть в сторону сверхточных, но недешевых хронографов!

16.11.21

HOPTROFF – самые точные часы в мире

Родиной первых в мире карманных часов со встроенным атомным стандартом времени станет не Швейцария и даже не Япония. Идея их создания зародилась в самом сердце Великобритании у лондонской марки Hoptroff, которая и представит первые прототипы под номером 10 в ноябре на часовой выставке SalonQP.

Ричард Хоптрофф

По словам Ричарда Хоптроффа, управляющего директора марки, лондонская прописка Hoptroff сыграла ключевую роль в возникновении этой идеи. “В своих кварцевых механизмах мы используем высокоточную колебательную систему с сигналом GPS. Но в центре Лондона не так-то просто поймать этот самый сигнал. Однажды во время поездки в Гринвичскую обсерваторию я увидел там атомные часы Hewlett Packard и решил приобрести себе нечто подобное через Интернет. И не смог. Вместо этого мне на глаза попалась информация о чипе компании Symmetricon, и после трех дней раздумий я понял, что он прекрасно подойдет для карманных часов”.

Чип CSAC, приводящий в действие карманную модель No 10 от Hoptroff

Чип, о котором идет речь, представляет собой цезиевые атомные часы SA. 45s (CSAC), принадлежащие к первому поколению миниатюрных атомных часов для GPS-приемников, ранцевых радиостанций и беспилотных аппаратов. Несмотря на свои скромные габариты (40 мм х 34,75 мм), в наручные часы он все же вряд ли поместится. Поэтому Хоптрофф решил оснастить ими карманную модель довольно солидных размеров (82 мм в диаметре).

Помимо звания самых точных часов в мире, Hoptroff No 10 (десятый по счету механизм марки) претендует также на первый золотой корпус, изготовленный с использованием технологии 3D-печати. Хоптрофф пока не может с точностью сказать, сколько золота потребуется для изготовления корпуса (работа над первым прототипом завершилась, когда номер уже ушел в печать), но предполагает, что его стоимость составит “минимум несколько тысяч фунтов”. А учитывая весь тот объем научных исследований, потребовавшихся для разработки продукта (взять хотя бы функцию расчета приливов и отливов по гармоническим постоянным для 3 тыс. различных портов), можно ожидать, что его конечная розничная цена составит около 50 тыс. фунтов стерлингов.

Золотой корпус модели No 10 на выходе из 3D-принтера (слева) и в готовом виде (справа)

Покупатели автоматически становятся членами эксклюзивного клуба и должны будут подписать письменное обязательство не использовать чип атомных часов как оружие. “Это одно из условий нашего договора с поставщиком, — объясняет г-н Хоптрофф, — поскольку изначально атомный чип применялся в системах наведения ракет”. Не так уж много за возможность получить часы с безупречной точностью. Атомные часы CSAC снабжены термостатом с регулированием температуры, внутри которого содержится камера с парами цезия. Под воздействием лазера на атомы цезия-133 начинается их переход из одного энергетического состояния в другое, для измерения которого используется СВЧ-резонатор. С 1967 года Международная система единиц (СИ) определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Исходя из этого, сложно себе представить более точные с технической точки зрения часы на цезиевой основе. Со временем, учитывая последние достижения в области измерения времени, точность новых оптических часов на базе иона алюминия, пульсирующего с частотой ультрафиолетового излучения (в 100 000 раз превышающей микроволновые частоты цезиевых часов), в сотни раз превысит точность атомных хронометров. Выражаясь доступным языком, погрешность хода новой карманной модели No.10 от Hoptroff составляет 0,0015 секунды в год, что в 2,4 миллиона раз превышает стандарты COSC.

Счастливые обладатели No.10 от Hoptroff получат в свое распоряжение гораздо больше, чем просто высокоточные часы. Модель также выполняет функцию карманного навигационного устройства, позволяющего определить долготу с точностью до одной морской мили даже после многолетнего пребывания в море при помощи простого секстанта. Модель получит два циферблата, однако дизайн одного из них пока держится в секрете. Другой же представляет собой круговерть счетчиков, отображающих целых 28 усложнений: от всех возможных хронометрических функций и указателей календаря до компаса, термометра, гигрометра (прибора для измерения уровня влажности), барометра, счетчиков широты и долготы и индикатора времени прилива/отлива. И это не говоря уже о жизненно важных индикаторах состояния атомного термостата.

Прототип усложненного циферблата модели No 10

У Hoptroff в планах производство ряда новых продуктов, в числе которых электронная версия легендарных усложненных часов Space Traveller Джорджа Дэниэлса. Сейчас над ними ведется работа, цель которой — интегрировать в часы технологию Bluetooth для сохранения личной информации владельца и обеспечения автоматической настройки таких усложнений, как индикатор фаз Луны.

Первые экземпляры No.10 появятся уже в следующем году, а пока компания занимается поиском подходящих партнеров среди ретейлеров. “Мы, конечно, могли бы попытаться продавать их через Интернет, но это модель премиум-класса, поэтому, чтобы по достоинству оценить эти часы, их все же нужно подержать в руках. А значит, нам все-таки придется воспользоваться услугами ретейлеров, и мы готовы начать переговоры”, — говорит в заключение г-н Хоптрофф.

Источник: журнал Europa Star сентябрь-октябрь 2013

Какие наручные часы самые точные в мире: механические или кварцевые?

Точная сущность времени еще до конца не разгадана. Но в жизни человечества этот параметр ориентации не менее важен, чем пространственные измерения. Разумеется, точность хода часов важна в любых ситуациях. Другое дело, насколько строгие выдвигаются требования.

Например, в научных физических исследованиях показатели времени иногда важны до тысячных и более долей секунды, в спорте – нескольких десятых, ну а на уровне повседневной жизни обывателя – достаточно, чтобы часы не уходили на несколько секунд в сутки.

Какие самые точные часы в мире?

Такие часы действительно существуют. Это атомная модель, основанная на теории микрочастиц. Их называют также квантовыми. Погрешность хода составляет всего несколько секунд в 15 миллиардов лет! Они разработаны чисто в научно-экспериментальных целях и предназначены для физических исследований, в частности в теории относительности, изучении гравитационных воздействий и других, непонятных далеким от глубокой науки представителям человечества, целей.

Фото атомных наручных часов

Часы, которые являются самыми точными, изобретены в США, учеными Национального института стандартов и технологий (аббревиатура NIST). Quantum Logic Clock всего лишь на секунду грешат в 3,7 миллиардов лет.

Конечно, это не просто часы и уж никак не наручные – счетчик подобного масштаба занимает приличные объемы и используется исключительно в научно-исследовательских целях

Кроме того, «атомные» сверхточные модели необходимы в системах навигации, мобильной и спутниковой связи, где в основе стабильной работы лежит принцип синхронизации подстанций. Тем не менее, на квантовой технологии есть и наручный вариант, конечно, не столь скрупулезный. К примеру, часы Bathys Hawaii основаны на механике частиц цезия и работают от литиевой батарейки. Правда, стоимость такой модели, мягко говоря, «кусается». Престижно, конечно, но сточки зрения практики – нерационально.

Фото наручных часов Bathys Hawaii

Парижский эталон

Французский институт времени владеет часами, по которым идет сверка практически во всем мире на более обыденном уровне. Это также квантовый механизм, причем довольно сложной конструкции, который дает погрешность в тысячелетие на 1 секунду.

Разумеется, даже такая точность, возможно, в повседневной жизни большинства обывателей излишня. А если говорить о более реальных вариантах, то кварцевые часы – наиболее востребованы, ну и, конечно же, доступны. Тем более что современный ритм подразумевает именно наручные, а не стационарные часы.

Фото мужских наручных кварцевых часов

Самые точные кварцевые часы

Кварцевые хронографы основаны на работе кристаллов кварца. Они не требуют завода, а также дают довольно высокую точность в сравнении с механическими аналогами, поскольку основаны на импульсах, поступающих от электронного блока и отличающихся стабильностью. Если погрешность хода механики составляет порядка 20-40 секунд в течение суток, аналогичный показатель кварца составляет всего лишь до полуминуты в 20-30 дней. Самые лучшие модели характеризуются показателями отклонения от точности всего в несколько секунд за год. Причем, вовсе не факт, что точные часы – супердорогие. Обратите внимание на кварцевую модель – часы бренда Sunlight коллекции Numeri Romani.

Керамические женские часы с перламутром на керамическом браслете, SL (цена по ссылке)

Эти часы на кварцевом механизме характеризуются высокой точностью хода, обладают дополнительной водозащитой в 3 атм. (30 м), что обеспечивает сохранность стабильной работы при погружении их в воду, а циферблат и механизм защищены сверхпрочным минеральным (кварцевым) стеклом.

На точность хода кварцевых часов влияют такие параметры, как частота колебаний генераторного механизма, а также период износа кварца. Но в целом часы более устойчивы к вибрациям и механическим воздействиям, чем электронные аналоги.

Электронные сверхточные часы

Наиболее распространенный вариант – часы с цифровым дискретным дисплеем. Электронные часы работают на основе кварцевого генератора электроколебаний и «запитываются» от химических миниатюрных батареек.

Сверхточными электронными часами с уверенностью можно назвать радионастраиваемые модели. Например, спортивные часы японского бренда Casio (коллекция G-Shock).

Фото точных радионастраиваемых часов Casio G-Shock

Модуль радиоконтроля синхронизирует ход часов с сигналом, поступающим от квантовых часов и практически исключает какие-либо погрешности. Единственный нюанс – сигнал не ловит в некоторых местностях, поэтому, приобретая подобные часы, обязательно нужно обращать внимание на этот аспект.

Наручные сверхточные хронографы

В ряде случаев, например, во время активных занятий спортом или соревнований, необходим сверхточный отсчет и время, зафиксированное вплоть до сотых, а то и тысячных долей секунд. Хронографы, в отличие от обычных часов, наделены дополнительными шкалами отсчета мили секунд, а также тахиметрами и телемерами для определения скорости и удаленности объектов.

Такие часы позволяют без вмешательства в ход отсчета основного времени, осуществлять замеры продолжительности сразу нескольких событий одновременно

Присмотритесь к кварцевым хронографам Sunlight и Okami с аналоговой индикацией.

Часы мужские, OKAMI (цена по ссылке)

Часы женские, SL (цена по ссылке)

Самые точные механические часы

Механика основана исключительно на взаимодействии механизмов и деталей. При заводе пружина закручивается, а последующее ее раскручивание приводит к отсчету времени. Если этот процесс происходит неравномерно – часы начинают грешить в показателях времени. Причем нормой считается отставание или ускорение, примерно, в 20-40 секунд в течение суток.

Механические наручные часы требуют периодического подзавода, а точность их хода зависит от износостойкости составляющих механизм элементов, а также уровня напряженности пружины, отвечающей за подзавод. Кроме того, механика очень восприимчива к пространственным характеристикам и так же, как и кварцевые модели не приемлет критических температур.

Самые точные механические хронометры – с турбийоном. Этот механизм компенсирует гравитационные силы и повышает точность хода. Но стоимость таких моделей довольно высока, что обусловлено сложностью механизма и кропотливой настройкой.

Механические часы могут быть с ручным или автозаводом. Второй тип предполагает активное ношение часов на руке, как минимум 8 часов в течение суток, а в отличие от первого – не требует регулярно заводить часы в одно и то же время каждый день, поскольку запаса хода хватает, как правило, на несколько суток.

Обратите внимание на часы марки Okami ‒ механические с ручным заводом.

Часы, OKAMI (цена по ссылке)

Не менее популярной является женская модель наручных часов бренда Sunlight с автозаводом.

Часы женские на кожаном браслете, SL (цена по ссылке)

Краткое резюме

При выборе конкретной модели часов следует руководствоваться, прежде всего, индивидуальными потребностями, подбирая оптимальный по цене и точности хода вариант. Наиболее престижно и статусно выглядят классические модели механических часов с аналоговыми циферблатами, а также модными в настоящее время прозрачными корпусами. Но в плане точности они значительно уступают кварцевым и электронным хронометрам, а также требуют следить за своевременным заводом. Такие изделия подойдут людям, ведущим плавный и размеренный образ жизни.

Для активных и энергичных можно порекомендовать кварцевые хронометры и хронографы, которые позволяют делать высокоточные замеры и отличаются низкой погрешностью хода.

Самые точные в мире атомные часы физиков США – первый пример «мультиплексированных» оптических часов

18.02.2022 | 15:35
Новости компаний

Физики из Университета Висконсин-Мэдисон создали одни из самых эффективных атомных часов, как они объявили 16 февраля в журнале Nature, сообщает android-robot.com.

Их инструмент, известный как атомные часы на оптической решетке, может измерять разницу во времени с точностью, эквивалентной потере всего одной секунды каждые 300 миллиардов лет, и является первым примером «мультиплексированных» оптических часов, в которых шесть отдельных часов могут существовать в одной точке. такая же среда. Его конструкция позволяет команде тестировать способы поиска гравитационных волн, пытаться обнаружить темную материю и открывать новую физику с помощью часов.

«Часы на оптической решетке уже являются лучшими часами в мире, и здесь мы получаем такой уровень производительности, которого никто раньше не видел», — говорит Шимон Колковиц, профессор физики UW-Madison и старший автор исследования. «Мы работаем как над улучшением их производительности, так и над разработкой новых приложений, которые станут возможными благодаря этой повышенной производительности».

Атомные часы настолько точны, потому что они используют фундаментальное свойство атомов: когда электрон меняет энергетический уровень, он поглощает или излучает свет с частотой, одинаковой для всех атомов определенного элемента. Оптические атомные часы отсчитывают время с помощью лазера, точно настроенного на эту частоту, и для точного отсчета времени им требуются одни из самых сложных в мире лазеров.

Для сравнения, у группы Колковица «относительно паршивый лазер», говорит он, поэтому они знали, что любые часы, которые они построили, сами по себе не будут самыми точными и точными. Но они также знали, что для многих последующих применений оптических часов потребуются портативные коммерчески доступные лазеры, подобные их. Разработка часов, которые могли бы использовать обычные лазеры, была бы благом.

В своем новом исследовании они создали мультиплексированные часы, в которых атомы стронция можно разделить на несколько часов, расположенных в одну линию в одной и той же вакуумной камере. Используя всего лишь одни атомные часы, команда обнаружила, что их лазер надежно возбуждает электроны в том же количестве атомов только в течение одной десятой секунды.

Однако, когда они одновременно посветили лазером на двое часов в камере и сравнили их, количество атомов с возбужденными электронами оставалось одинаковым между двумя часами до 26 секунд. Их результаты означали, что они могли проводить значимые эксперименты гораздо дольше, чем позволял их лазер в обычных оптических часах.

«Обычно наш лазер ограничивал бы производительность этих часов», — говорит Колковиц.  «Но поскольку часы находятся в одной и той же среде и испытывают точно такой же лазерный свет, эффект лазера полностью исчезает».

Затем группа спросила, как точно они могут измерить разницу между часами. Две группы атомов, находящихся в немного разных средах, будут двигаться с несколько разной скоростью в зависимости от гравитации, магнитных полей или других условий.

Они провели свой эксперимент более тысячи раз, измерив разницу в частоте хода своих двух часов в общей сложности около трех часов. Как и ожидалось, поскольку часы находились в двух немного разных местах, их тиканье немного отличалось. Команда продемонстрировала, что по мере того, как они проводили все больше и больше измерений, им удавалось лучше измерять эти различия.

В конце концов, исследователи смогли обнаружить разницу в скорости хода двух часов, которая соответствовала бы их расхождению друг с другом всего на одну секунду каждые 300 миллиардов лет — измерение точного хронометража, которое устанавливает мировой рекорд для двух пространственно разделенных часов.

Это также было бы мировым рекордом по самой точной разнице частот, если бы не другая статья, опубликованная в том же номере журнала Nature. Это исследование было проведено группой из JILA, исследовательского института в Колорадо. Группа JILA обнаружила разницу частот между верхом и низом рассеянного облака атомов примерно в 10 раз лучше, чем группа UW-Madison.

Их результаты, полученные на расстоянии одного миллиметра, также представляют собой кратчайшее на сегодняшний день расстояние, на котором общая теория относительности Эйнштейна была проверена с помощью часов. Группа Колковица планирует вскоре провести аналогичный тест.

«Удивительно то, что мы продемонстрировали такую ​​же производительность, как и группа JILA, несмотря на то, что мы используем лазер на несколько порядков хуже», — говорит Колковиц. «Это действительно важно для многих реальных приложений, где наш лазер выглядит намного больше, чем то, что вы использовали бы в полевых условиях».

Чтобы продемонстрировать потенциальное применение своих часов, команда Колковица сравнила изменения частоты между каждой парой из шести мультиплексированных часов в цикле.  Они обнаружили, что разница в сумме равна нулю, когда они возвращаются к первым часам в петле, подтверждая согласованность их измерений и устанавливая возможность обнаружения крошечных изменений частоты в этой сети.

«Представьте, что облако темной материи проходит через сеть часов — есть ли способ увидеть эту темную материю в этих сравнениях?» — спрашивает Колковиц. «Это эксперимент, который мы можем провести сейчас, и который вы просто не могли провести ни в одной из предыдущих экспериментальных систем».

Как выглядят атомные часы. Почему атомные часы самые точные

Высокоточные атомные часы, которые совершают ошибку в одну секунду за 300 миллионов лет. Эти часы, заменившие старую модель, которая допускала ошибку в одну секунду за сто миллионов лет, теперь задают стандарт американского гражданского времени. «Лента.ру» решила вспомнить историю создания атомных часов.

Для того чтобы создать часы, достаточно использовать любой периодический процесс. И история появления приборов измерения времени ─ это отчасти история появления либо новых источников энергии, либо новых колебательных систем, используемых в часах. Самыми простыми часами являются, вероятно, солнечные: для их работы необходимо только Солнце и предмет, который отбрасывает тень. Недостатки этого способа определения времени очевидны. Водяные и песочные часы тоже не лучше: они пригодны лишь для измерения сравнительно коротких промежутков времени.

Самые древние механические часы были найдены в 1901 году рядом с островом Антикитера на затонувшем корабле в Эгейском море. Они содержат около 30 бронзовых шестерен в деревянном корпусе размером 33 на 18 на 10 сантиметров и датируются примерно сотым годом до нашей эры.

В течение почти двух тысяч лет механические часы были самыми точными и надежными. Появление в 1657 году классического труда Христиана Гюйгенса «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica») с описанием устройства отсчета времени с маятником в качестве колебательной системы, стало, вероятно, апогеем в истории развития механических приборов такого типа.

Однако астрономы и мореплаватели все равно использовали звездное небо и карты для определения своего местоположения и точного времени. Первые же электрические часы изобрел в 1814 году Фрэнсис Роналдс . Однако первый такой прибор был неточным из-за чувствительности к изменениям температуры.

Дальнейшая история часов связана с использованием в устройствах разных колебательных систем. Представленные в 1927 году сотрудниками Лабораторий Белла кварцевые часы использовали пьезоэлектрические свойства кристалла кварца: при воздействии на него электрического тока кристалл начинает сжиматься. Современные кварцевые хронометры могут обеспечить точность до 0,3 секунды в месяц. Однако, поскольку кварц подвержен старению, с течением времени часы начинают идти с меньшей точностью.

С развитием атомной физики ученые предложили использовать в качестве колебательных систем именно частицы вещества. Так появились первые атомные часы. Идею о возможности использования атомных колебаний водорода для измерения времени предложил еще в 1879 году английский физик лорд Кельвин , однако только к середине XX века это стало возможным.

Репродукция картины Губерта фон Геркомера (1907)

В 1930-х годах американский физик и первооткрыватель ядерного магнитного резонанса Исидор Раби начал работать над атомными часами с цезием-133, однако начало войны помешало ему. Уже после войны в 1949 году в Национальном комитете стандартов США с участием Гарольда Лайонсона были созданы первые молекулярные часы, использующие молекулы аммиака. Но первые такие приборы измерения времени не были точными, как современные атомные часы.

Относительно малая точность была связана с тем, что из-за взаимодействия молекул аммиака между собой и со стенками емкости, в которой находилось это вещество, изменялась энергия молекул, и их спектральные линии уширялись. Этот эффект очень похож на трение в механических часах.

Позднее, в 1955 году, Луи Эсссен из Национальной физической лаборатории Великобритании представил первые атомные часы на цезии-133. Эти часы накапливали ошибку в одну секунду за миллион лет. Прибор получил название NBS-1 и стал считаться цезиевым эталоном частоты.

Принципиальная схема атомных часов состоит из кварцевого генератора, контролируемого дискриминатором по схеме обратной связи. В генераторе используются пьезоэлектрические свойства кварца, тогда как в дискриминаторе происходят энергетические колебания атомов, так что колебания кварца отслеживаются сигналами от переходов с разных энергетических уровней в атомах или молекулах. Между генератором и дискриминатором находится компенсатор, настроенный на частоту атомных колебаний и сравнивающий ее с частотой колебаний кристалла.

Атомы, используемые в часах, должны обеспечивать стабильные колебания. Для каждой частоты электромагнитного излучения существуют свои атомы: кальция, стронция, рубидия, цезия, водорода. Или даже молекулы аммиака и йода.

С появлением атомных приборов измерения времени стало возможным использовать их в качестве универсального эталона для определения секунды. С 1884 года Гринвичское время, считавшееся мировым стандартом, уступило место эталону атомных часов. В 1967 году решением 12-й Генеральной конференции мер и весов одну секунду определили как продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Такое определение секунды не зависит от астрономических параметров и может воспроизводиться в любой точке планеты. Цезий-133, используемый в эталоне атомных часов, ─ единственный стабильный изотоп цезия со 100-процентной распространенностью на Земле.

Атомные часы используются и в спутниковой системе навигации; они необходимы для определения точного времени и координат спутника. Так, в каждом спутнике системы GPS установлены по четыре комплекта таких часов: два рубидиевых и два цезиевых, которые обеспечивают точность передачи сигнала в 50 наносекунд. На российских спутниках системы ГЛОНАСС тоже установлены цезиевые и рубидиевые атомные приборы измерения времени, а на спутниках разворачивающейся европейской геопозиционной системы Galileo ─ водородные и рубидиевые.

Точность водородных часов ─ самая высокая. Она составляет 0,45 наносекунды за 12 часов. По всей видимости, использование Galileo таких точных часов выведет эту навигационную систему в лидеры уже в 2015 году, когда на орбите будет 18 ее спутников.

Hewlett-Packard стала первой компанией, которая занялась разработкой компактных атомных часов. В 1964 году ею был создан цезиевый прибор HP 5060A размером с большой чемодан. Компания и дальше развивала это направление, но с 2005 года продала свое подразделение, разрабатывающее атомные часы, компании Symmetricom.

В 2011 году специалисты Лаборатории Дрейпера и Сандийских национальных лабораторий разработали, а компания Symmetricom выпустила первые миниатюрные атомные часы Quantum. На момент выпуска они стоили порядка 15 тысяч долларов, были заключены в герметичный корпус размером 40 на 35 на 11 миллиметров и весили 35 граммов. Потребляемая мощность часов составляла менее 120 милливатт. Первоначально они были разработаны по заказу Пентагона и предназначались для обслуживания навигационных систем, функционирующих независимо от систем GPS, например, глубоко под водой или землей.

Уже в конце 2013 года американская компания Bathys Hawaii представила первые «наручные» атомные часы. В качестве основного компонента в них используется чип SA.45s производства компании Symmetricom. Внутри чипа располагается капсула с цезием-133. В конструкцию часов также входят фотоэлементы и маломощный лазер. Последний обеспечивает нагревание газообразного цезия, в результате чего его атомы начинают переходить с одного энергетического уровня на другой. Измерение времени как раз и производится за счет фиксирования такого перехода. Стоимость нового прибора составляет около 12 тысяч долларов.

Тенденции к миниатюризации, автономности и точности приведут к тому, что уже в недалеком будущем появятся новые устройства с использованием атомных часов во всех сферах человеческой жизни, начиная с космических исследований на орбитальных спутниках и станциях до бытового применениях в комнатных и наручных системах.

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.

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.

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.

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

Какие самые точные часы в мире и по какому принципу они работают?

Доводилось ли тебе задумываться, какие часы самые точные в мире? Рассуждая на бытовом уровне, мы обычно сравниваем электронные и механические системы, предназначенные для отсчета времени. Но ведь где-то должно быть устройство, отсчет которого используется как эталон. Оно должно быть сверхточным и невероятно надежным, чтобы все присутствующие на Земле приборы по нему сверялись. Такое приспособление есть, и это атомные часы.

Чтобы оценить точность атомных часов, нужно понять, как они работают. Они определяют и отсчитывают время за счет собственных колебаний, этот периодический процесс никогда не останавливается, так как происходит на молекулярном и атомном уровне. Поэтому они такие точные.

В этой статье мы расскажем про атомные часы: как они работают и выглядят, кто их придумал, как человечество ими пользуется. Также здесь ты найдешь интересные факты о часах и отсчете времени.

Атомные часы — самые точные и надежные в мире. Это доказанный факт, который невозможно оспорить. Без них люди не знали бы, как точно расположены планеты в солнечной системе, не смогло бы пользоваться интернетом и системами навигации на основе GPS. На самом деле даже у такого прибора имеется некая погрешность, но она настолько минимально, что в рамках солнечной системы ничего не значит. Устройство синхронизирует все часы во всем мире, оно показывает, для находятся конкретные измерения, работает даже в космосе, где время идет по-другому. Если тебе хочется узнать про отсчет времени за пределами нашей планеты, обратись к статье “Как идет время в космосе?”.

О создании атомных часов

Еще в сороковые годы прошлого века ученые знали о существовании пучка магнитного резонанса. Изначально о практическом применении в часах не могло быть и речи, его использование ограничивалось теориями. В 1945 году Исидор Раби высказал предположение о возможности создания прибора по теоретически созданным техникам. Было создано что-то вроде часов, но они предоставляли неверные данные. Так продолжалось до 1949 года.

Открытие осветил миру National Bureau of Standards, весть о создании первых атомных часов очень быстро разлетелась по свету. В основе механизма были соединения аммиака, в ближайшие годы стали разрабатывать механизмы на других веществах. К 1952 году появился первый прототип на основе цезия.

И сейчас, и в те времена общественность волновал один вопрос: если эти часы атомные, не являются ли они радиоактивными. Нет, не являются и не могут такими быть, так как устройство не предполагает атомного распада. Сейчас такие часы научились производить из разных материалов. Можно использовать алюминий, кварц, кремний, применяют даже серебро.

Принцип работы

Механизм функционирует по таким принципам:

• обычные часы работают за счет маятника, в атомных маятника нет, у них главная деталь — кварцевый генератор;
• при переходе электрона с одного энергетического уровня атома на другой возникают сигналы, так создается электромагнитная волна;
• система очень стабильна за счет частых постоянных колебаний.

Казалось бы, механизм совершенен, но каждый год наука делает новые открытия и получает возможность модернизировать процесс. Последним значимым открытием стала работа специалистов из The National Institute of Standards and Technology, они установили мировой рекорд. Они работали над атомными часами на основе стронция, им удалось добиться самого минимального в мире отклонения. Погрешность составляет одну секунду за 15 миллиардов лет.

Примерно столько лет нашей Вселенной, то есть от момента создания Вселенной до наших дней часы отстали бы всего на секунду.

Это важнейшее открытие мирового масштаба. Добиться таких показателей удалось благодаря использованию именно стронция. По аналогии с тем, как обычные часы отсчитывают время тиканьем, стронциевые перемещают атомы стронция в пространстве. Пространство — это пространственная решетка, созданная лазером.

Однако, это теоретические сведения. Они впечатляют, но на практике что-то может пойти не так. Устройства на цезии не настолько точные, но они очень популярны, так как гарантированно надежные. Устройствам на основе стронция предстоит пройти проверку временем.

Строение прибора

Вне зависимости от используемого вещества любые сверхточные часы включают в свое строение кварцевый генератор, квантовый дискриминатор и электронику. Генератор работает по аналогии с автогенератором, отличие в том, что в качестве резонансного элемента в нем применяют кварцевый кристалл в виде пьезоэлектрических мод.

Частоты кварцевого элемента и квантового дискриминатора позволяют сравнивать величины. Если обнаруживается разница, то происходит запрос, под воздействием которого генератор вынужден подстроиться под нужную величину. Так удалось добиться точности и надежности. И это позволяет видеть на табло точное значение, то есть мы видим точнейшее время на циферблате.

Наручные атомные часы

Первые модели были очень громоздкими. Все изменилось в 2013 году, когда фирма Bathys Hawaii выпустила наручный вариант, первые в мире миниатюрные атомные часы. Мировая общественность не поверила, кто-то посмеялся над этим, как над забавной шуткой. Но вскоре сомнений не осталось, наручные часы действительно работают на основе атомов Цезий 133. Повторимся, прибор безопасен, он не распространяет радиацию. В нем есть радиоактивный элемент, это газ в специальной капсуле, которую невозможно повредить в бытовых условиях. Слава этого прибора облетела весь мир.

Любопытный вопрос: за счет чего питаются эти часы, что дает им энергию. Это простой литий-ионный аккумулятор. На данный момент мы не знаем, на какой срок службы он рассчитан. Эти часы стали весьма популярными в мире, так как были первыми наручными. Но другие портативные устройства были изобретены и до них.

Какие бывают?

Первые портативные устройства не обладали автономностью. Их функция заключалась в синхронизации часов по беспроводному радиоканалу. Стоили такие целых 12 тысяч американских долларов, и это одна из причин, почему они не стали всемирно востребованными. Но производитель и не стремился к массовости, он изначально выпустил новинку очень лимитированной партией.

Сейчас есть несколько типов атомных часов:

• водородные. Атомы водорода поддерживаются на необходимом уровне энергетики. Но это не самый надежный вариант, водород быстро растрачивает необходимый энергетический потенциал;
• цезиевые. Функционируют на основе пучков цезия. Сейчас их считают самыми точными и надежными;
• рубидиевые. Самые простые и маленькие.

Любые атомные часы — недешевые, для простого человека это просто дорогая игрушка. К примеру, модель Hoptroff №10 стоит 78 тысяч долларов. Они были выпущены в 12 экземплярах. В них встроен GPS-сигнал. Компания планирует создать модель с золотым корпусом. Какой будет вес золота, пока неизвестно, но уже рассчитана примерная стоимость — около 50 тысяч фунтов стерлингов. В цифру заложены исследования, разработки и создание.

Интересные факты о часах

На данный момент атомные — это самые точные и новейшие часы. Чтобы создать такие, человечество прошло множество стадий. Приводим самые интересные факты из истории развития часового дела:

• первые в мире солнечные часы были сделаны в Древнем Египте;
• атомные часы — самые точные. Они могут быть более или менее точными, в среднем погрешность составляет секунду за шесть миллионов лет;
• секунда — не самая маленькая единица времени, есть еще миллисекунда. В одной секунде тысяча миллисекунд;
• стрелки на часах идут слева направо, потому что так движется тень на солнечных часах;
• до Первой Мировой войны часы носили только женщины, но вскоре мужчины оценили удобство и тоже стали пользоваться таким аксессуаром.

Теперь ты точно знаешь, какие часы самые точные в мире. Это атомные часы на основе цезия.

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 →

Связанные ссылки

• Vladan Vuletic
• Исследовательская лаборатория электроники
• Центр MIT-Harvard для ультраколдских атомов
• Департамент по часу
• School of Science

.

>
Химия и физика

Самые точные часы в мире получили приз за прорыв в фундаментальной физике 2022 года.

Джун Е, физик из совместного предприятия Национального института стандартов и технологий и Университета Колорадо в Боулдере, разработал инструментальные разработки для изобретения часов на оптической решетке. Е делит эту премию с Хидетоши Катори из Токийского университета, еще одним ученым, изучающим атомные часы.

И оптические, и атомные часы невероятно точны. Атомные часы настолько точны, что теряют одну секунду примерно каждые 100 миллионов лет; для справки, средние кварцевые часы будут отставать на одну секунду каждые пару лет. С другой стороны, часы на оптической решетке Е будут отставать на одну секунду каждые 15 миллиардов лет, что делает их самыми точными часами в мире.

15 миллиардов лет также являются приблизительным возрастом Вселенной, поэтому, если бы часы Йе были на ходу во время Большого взрыва, они отстали бы от сегодняшнего времени всего на одну секунду. Сбивает с толку? Да, но это имеет смысл, если мы рассматриваем часы с точки зрения физики, а не с точки зрения нашего собственного представления о часах.

Оптические часы работают на оптических частотах, которые представляют собой частоты видимого света в электромагнитном спектре. Атомные часы, с другой стороны, измеряют микроволновые частоты атомов. Более высокие частоты позволяют более точно вести хронометраж.

Лазеры используются для охлаждения атомов стронция чуть выше абсолютного нуля, а затем атомы захватываются сеткой лазеров, известной как оптическая решетка (отсюда и название часов). В настоящее время секунда СИ определяется с использованием атомов цезия, но считается, что стронций заменит цезий для создания нового стандарта.

Наличие самого точного в мире прибора для измерения времени не только очень полезно, но и позволяет исследователям понять фундаментальные аспекты Вселенной. Исследователи из лаборатории Йе заметили, что когда часы приближались к земле хотя бы на несколько сантиметров, время, измеряемое часами, двигалось медленнее. Это согласуется со знаменитой теорией относительности Эйнштейна.

Часы на оптической решетке также окажут астрономическое влияние на область астрофизики. Например, возможность точно синхронизировать часы в обсерваториях по всему миру позволила бы исследователям проводить более точные измерения черных дыр, что позволило бы нам лучше понять их. Согласно теории относительности Эйнштейна, время замедляется при приближении к массивным телам. Небольшие изменения во времени, измеряемые оптическими часами, могут сказать нам, есть ли лава под твердой скалой, сколько воды находится под пустыней или приблизительная глубина океана.

Как и многие новые открытия, эта технология существует только в лаборатории, поэтому следующий шаг Е — выяснить, как сделать ее портативной, чтобы ученые где угодно могли использовать его часы.

Источники: Университет Колорадо в Боулдере, NIST, Phys. org

Поделиться

Об авторе

Ханна Дэниел

Бакалавр биологии

Ханна Дэниел (она/они) недавно закончила Университет Карнеги-Меллона, где она получила степень бакалавра наук в области биологии с дополнительной дополнительной специальностью в области творческого письма. В настоящее время она работает репортером в издании Informa Intelligence Health, Beauty and Wellness, деловом информационном бюллетене, в котором подробно описываются последние инновации и правила в мире безрецептурных препаратов и пищевых добавок.

Вам также может понравиться

06 августа 2022 г.

Космос и астрономия

06 августа 2022 г.

Вулканизм древнего Марса создал редкий минерал

В совместном исследовании, которое планируется опубликовать в журнале Earth and Planetary Science Letters в сентябре этого года, планетарные ученые
. ..

Автор:

Лоуренс Тонетти, магистр наук

20 августа 2022 г.

Технологии

20 августа 2022 г.

Биопленка может преобразовывать энергию испарения в электричество

В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Communications, группа исследователей из Массачусетского университета (UMass) A
…

Автор:

Лоуренс Тонетти, магистр наук

04 сентября 2022 г.

Космос и астрономия

04 сентября 2022 г.

Оглядываясь назад в космос: проект НАСА «Меркурий»

Эта серия расскажет об исторических космических миссиях с начала космической эры до наших дней, включая оба экипажа
. ..

Автор:

Лоуренс Тонетти, магистр наук

19 сентября 2022 г.

Земля и окружающая среда

19 сентября 2022 г.

Раковины моллюсков раскрывают подробности о маленьком ледниковом периоде

В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Communications, группа исследователей из Соединенного Королевства изучает многовековые
…

Автор:

Лоуренс Тонетти, магистр наук

23 сентября 2022 г.

Химия и физика

23 сентября 2022 г.

Химическая смесь, привлекающая комаров

Если вы склонны к укусам комаров, это может быть связано с этими химическими веществами на вашей коже. Помимо общего анно
…

Автор:

Ханна Дэниел

29 сентября 2022 г.

Науки о каннабисе

29 сентября 2022 г.

Что такое каннабиноидные кислоты?

Как ваш любимый сорт каннабиса создает концентрацию ТГК или КБД? Вот что такое каннабиноидные кислоты, и хо
…

Автор:

Хелен Крысик

Что самые точные часы в мире могут рассказать нам о Земле и космосе

На этом снимке, любезно предоставленном доктором Эдом Марти, 25 января 2017 года, показаны часы на оптической решетке стронция, хранящиеся в лаборатории Джун Йе в Колорадском университете в Боулдере.

Потребуется 15 миллиардов лет, чтобы часы, которые занимают подвальную лабораторию Джун Е в Университете Колорадо, потеряли бы одну секунду — примерно столько времени существует Вселенная.

За это изобретение ученый китайско-американского происхождения вместе с Хидетоси Катори из Японии разделят 3 миллиона долларов в качестве со-лауреатов премии 2022 года «Прорыв в фундаментальной физике».

Работая независимо друг от друга, эти двое разработали методы, использующие лазеры для улавливания и охлаждения атомов, а затем используют их вибрации для привода так называемых «оптических решетчатых часов», самых точных из когда-либо созданных часовых механизмов.

Для сравнения, современные атомные часы теряют одну секунду каждые 100 миллионов лет.

Но что дает большая точность?

«Это действительно инструмент, который позволит вам исследовать основную структуру пространства-времени во Вселенной», — сказал Йе AFP.

В лаборатории Йе исследователи показали, что время движется медленнее, когда часы приближаются к земле на несколько сантиметров, в соответствии с предсказаниями теории относительности Эйнштейна.

Применительно к современным технологиям эти часы могут повысить точность GPS-навигации в тысячу раз или помочь плавно посадить беспилотный космический самолет на Марс.

На этой недатированной рекламной фотографии, полученной 8 сентября 2021 года, изображен американский ученый китайско-американского происхождения Цзюнь Йе, изобретатель сверхточных часов.

Краткая история времени

Повышение точности и аккуратности хронометража было целью с тех пор, как древние египтяне и китайцы изобрели солнечные часы.

Ключевой прорыв произошел с изобретением маятниковых часов в 1656 году, которые полагаются на качающийся груз, чтобы отсчитывать время, а несколько десятилетий спустя хронометры стали достаточно точными, чтобы определять долготу корабля в море.

В начале 20-го века появились кварцевые часы, которые при подаче электричества резонируют с очень специфической высокой частотой или числом тактов в секунду.

Кварцевые часы повсеместно используются в современной электронике, но все же в некоторой степени чувствительны к изменениям, вызванным производственным процессом или такими условиями, как температура.

Следующим большим скачком в хронометрии стало использование движения возбужденных атомов для разработки атомных часов, которые невосприимчивы к воздействию таких изменений окружающей среды.

Физики знают, что одна очень высокая частота заставляет частицы, называемые электронами, вращающиеся вокруг ядра атома определенного типа, переходить в состояние с более высокой энергией, находя орбиту дальше от ядра.

На этом снимке, любезно предоставленном доктором Эдом Марти, 25 января 2017 года, показаны часы на оптической решетке стронция, хранящиеся в лаборатории Джун Йе в Колорадском университете в Боулдере.

Атомные часы генерируют приблизительную частоту, которая заставляет атомы элемента цезия переходить в это более высокое энергетическое состояние.

Затем детектор подсчитывает количество этих возбужденных атомов, регулируя частоту, если это необходимо, чтобы сделать часы более точными.

Настолько точно, что с 1967, одна секунда определяется как 9 192 631 770 колебаний атома цезия.

Исследование Вселенной и Земли

Лаборатории Катори и Йе нашли способы еще больше усовершенствовать атомные часы, переместив колебания в видимый конец электромагнитного спектра с частотами в сто тысяч раз выше, чем те, которые используются в современной атомной энергетике. часы, чтобы сделать их еще более точными.

Они поняли, что им нужен способ захватывать атомы — в данном случае элемента стронция — и удерживать их при сверхнизких температурах, чтобы правильно измерять время.

Если атомы падают под действием силы тяжести или движутся иным образом, точность будет потеряна, а теория относительности вызовет искажения в хронометраже.

Чтобы поймать атомы, изобретатели создали «оптическую решетку», созданную лазерными волнами, движущимися в противоположных направлениях, чтобы сформировать неподвижную форму, похожую на коробку для яиц.

Е взволнован потенциальным использованием своих часов. Например, синхронизация часов лучших обсерваторий мира с точностью до мельчайших долей секунды позволила бы астрономам лучше концептуализировать черные дыры.

Более совершенные часы также могут пролить новый свет на геологические процессы Земли.

Теория относительности говорит нам, что время замедляется, когда оно приближается к массивному телу, поэтому достаточно точные часы могли бы указать ученым разницу между твердой породой и вулканической лавой под поверхностью, помогая предсказать извержение.

Или, конечно, измерить уровень океанов или сколько воды течет под пустыней.

Следующей серьезной задачей, по словам Йе, будет миниатюризация технологии, чтобы ее можно было вынести за пределы лаборатории.

Ученый признает, что иногда трудно объяснить публике фундаментальные принципы физики.

«Но когда они слышат о часах, они могут почувствовать, что это осязаемая вещь, они могут установить связь с этим, и это очень полезно», — сказал он.

Узнать больше

«Часы-пинцет» могут помочь точнее определить время

© 2021 АФП

Цитата :
Что самые точные часы в мире могут рассказать нам о Земле и космосе (2021, 9 сентября)
получено 3 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2021-09-world-accurate-clock-earth-cosmos.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Физики переосмысливают то, как мы измеряем время

WTF

Все время состоит из атомов.

Джуди Унгер/DigitalVision Vectors/Getty Images

Элана Спивак

28 декабря 2021 г.

Независимо от того, носите ли вы смарт-часы или часы Rolex, вы, вероятно, верите времени, которое показывают ваши любимые часы. Однако мы здесь, чтобы сообщить вам: эти часы крайне неточны по сравнению с самыми точными часами в мире. Но идеальных вещей, похоже, не бывает — ведь в этом году ученые сделали самые точные часы еще точнее.

INVERSE отсчитывает 20 научных открытий, которые заставили нас сказать «WTF» в 2021 году. Это № 5. Полный список смотрите здесь.

Атомы существуют на разных частотах. Если вы помните уроки естествознания в старшей школе, вы можете вспомнить, что магний помещали в пламя, и он излучал очень яркий свет — по сути, это частота. Атомные часы используют эти частоты, в частности, поглощая и испуская фотоны через равные промежутки времени, чтобы отсчитывать время. Это самые точные часы для измерения времени в секундах.

В обычных атомных часах используется форма цезия, называемая цезий-133. В этом случае микроволновая энергия взаимодействует с атомами, принадлежащими к форме цезия, называемой цезий-133. Цезий-133 колеблется между двумя состояниями и излучает импульс снова и снова.

С 1967 года формальное определение секунды звучит так:

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

Другими словами, за одну секунду атом цезия-133 совершает переход примерно 9 192 631 770 раз. Однако здесь есть небольшая степень неточности: существуют незначительные различия во времени, удерживаемом атомами, и попытки количественно определить эти различия имели точность до 17 знаков. Такое знание имеет значение — если вы сможете лучше учитывать ошибки, то сможете более точно измерить точный период секунды с помощью атомных часов. Другими словами, повышение степени точности здесь может означать переопределение самой секунды.

Что нового — В ходе исследования, проведенного ранее в этом году, исследователи заложили основу для того, чтобы сделать именно это: исследовательская группа из Колорадо решила попытаться улучшить конструкцию атомных часов, проверив, будет ли передача данных по оптоволоконному кабелю оптический кабель или с помощью лазеров.

Они хотели знать:

1. Могут ли они использовать другие элементы для определения времени?
2. И как различные методы обработки данных изменили крошечную разницу между временем, хранимым атомами?
3. Можно ли повысить точность измерения?

Вместе результаты показывают, что новая методология может обеспечить 18-разрядную точность измерения разницы между атомами. Они опубликовали свои выводы в журнале Nature в марте 9009 года.

Как они это сделали — Команда разработала три атомных часа, в которых использовались другие элементы:

• Атомные часы на основе ионов алюминия
• Атомные часы на иттербии
• Стронциевые атомные часы

Чарльз Х. Таунс из Колумбийского университета демонстрирует одни из первых атомных часов. Bettmann/Bettmann/Getty Images

Часы с ионами алюминия и иттербия хранились в лаборатории в Боулдере, штат Колорадо. Стронциевые часы были размещены примерно в миле от нас, в другой лаборатории. Затем исследователи месяцами пересылали точки данных между часами, используя оптоволоконный кабель протяженностью чуть более двух миль, или снимали данные в виде лазерных импульсов по свободному космическому каналу между лабораториями (буквально оптический свет). сигнал свободно перемещается на расстояние).

Они обнаружили, что связь в свободном пространстве не отличается с точки зрения достоверности от волоконно-оптических кабелей. В конечном счете, это самое точное измерение соотношения между этими часами на сегодняшний день, и оно предлагает новую основу для инноваций атомных часов в целом.

Почему это важно — Еще в марте мы разговаривали с Рэйчел Годун, старшим научным сотрудником группы времени и частоты Национальной физической лаборатории в Великобритании. Она рассказала Inverse об использовании каналов свободного часы могут изменить правила игры для людей, далеких от изучения физики:

«Демонстрация авторами того, что высокоточные часы могут быть подключены через каналы связи в свободном пространстве без необходимости в оптоволоконной инфраструктуре, захватывающая, потому что она открывает возможности для приложений за пределами лаборатории, таких как топографическая съемка».

Работа исследователей также может однажды полностью изменить то, что мы думаем, что на самом деле означает «секунда».

Что дальше — Атомные часы невероятно точны, но технология, которую они используют, устарела по сегодняшним меркам. Цель этого исследования заключалась не столько в том, чтобы выбрать новые и улучшенные атомные часы, сколько в дальнейшем уточнении того, как сравнивалась точность хронометража этих элементов.

Как только эти стандарты будут приняты, откроется дверь для новых часов и новых инноваций — и нового определения секунды.

Если нам это удастся, то это поможет физикам дополнительно проверить фундаментальные теории Вселенной, такие как теория относительности и темная материя, путем более точного измерения движения атомов.

INVERSE отсчитывает 20 научных открытий, которые заставили нас сказать «WTF» в 2021 году. Это № 5. Читайте оригинальную историю здесь.

Похожие теги

• Технология

Поделиться:

Представляем самые точные часы в мире к атому цезия. Когда эта технология впервые появилась, исследователи смогли, наконец, устранить известное несовершенство своего предыдущего эталона времени: небольшие, неравномерные ускорения и замедления вращения Земли.

Сейчас цезиевые часы настолько распространены, что мы склонны забывать, насколько они важны для современной жизни: без них у нас не было бы Глобальной системы позиционирования. Они также помогают синхронизировать связь через Интернет и мобильные телефоны, связывать массивы телескопов и проверять фундаментальную физику. Через наши мобильные телефоны или посредством низкочастотной радиосинхронизации цезиевые стандарты времени просачиваются во многие часы, которыми мы пользуемся ежедневно.

Преобразование времени: На фото вверху Джон В.Л. Парри (слева) и Луис Эссен у первых цезиевых атомных часов в Национальной физической лаборатории Соединенного Королевства, 1956 год. Инструмент проложил путь к переопределению секунды в 1967 году. Внизу — одни из двух современных часов на оптической решетке, которые были построены в Парижской обсерватории. ..»> Фото: Вверху: Национальная физическая лаборатория; Внизу: Жером Лодевик

Точность цезиевых часов значительно улучшилась с 1955, увеличиваясь примерно в 10 раз каждое десятилетие. В настоящее время хронометраж, основанный на цезиевых часах, имеет погрешность всего 0,02 наносекунды в день. Если бы мы запустили такие часы, когда возникла Земля, около 4,5 миллиардов лет назад, сегодня они были бы смещены всего на 30 секунд.

Но мы можем сделать лучше. Новое поколение атомных часов, использующих лазерный свет вместо микроволнового излучения, может более точно делить время. Около шести лет назад исследователи завершили одноионные версии этих оптических часов, сделанные из ионов алюминия или ртути. Они превзошли по точности цезиевые часы на полный порядок.

Теперь новое ответвление этой технологии, часы на оптической решетке (OLC), взяли на себя инициативу. В отличие от одноионных часов, которые производят одно измерение частоты за раз, OLC могут одновременно измерять тысячи атомов, удерживаемых на месте мощным стоячим лазерным лучом, что снижает статистическую погрешность. В прошлом году этим часам удалось превзойти лучшие одноионные оптические часы как по точности, так и по стабильности. При дальнейшем развитии они потеряют не более секунды за 13,8 млрд лет — современный возраст Вселенной.

Так зачем вам часы с такой умопомрачительной точностью? Они уже производят впечатление. Некоторые ученые используют часы на оптической решетке в качестве инструментов для проверки фундаментальной физики. А другие рассматривают возможность их использования для более точного измерения различий в том, как быстро течет время в разных точках Земли — результат гравитационного искажения течения времени, как описано в общей теории относительности Эйнштейна. Способность измерять такие незначительные возмущения может показаться безнадежно эзотерической. Но у него могут быть важные приложения в реальном мире. Например, мы могли бы улучшить нашу способность прогнозировать извержения вулканов и землетрясения и более надежно обнаруживать нефть и газ под землей. И однажды, в недалеком будущем, OLC могут позволить еще один сдвиг в том, как мы определяем время.

Согласно правилам квантовой механики энергия электрона, связанного с атомом, квантуется. Это означает, что электрон может занимать только одну из дискретного числа орбитальных зон или орбиталей вокруг ядра атома, хотя он может перескакивать с одной орбитали на другую, поглощая или испуская энергию в виде электромагнитного излучения. Поскольку энергия сохраняется, это поглощение или испускание произойдет только в том случае, если энергия, соответствующая частоте этого излучения, соответствует разности энергий между двумя орбиталями, участвующими в переходе.

Атомные часы работают, используя это поведение. Атомами — например, цезия — управляют так, что все их электроны занимают орбитали с самой низкой энергией. Затем на атомы воздействует электромагнитное излучение определенной частоты, которое может заставить электрон перейти на орбиту с более высокой энергией — возбужденное «состояние часов». Вероятность этого перехода зависит от частоты излучения, направленного на атом: чем она ближе к реальной частоте часового перехода, тем выше вероятность того, что переход произойдет.

Чтобы выяснить, как часто это происходит, ученые используют второй источник излучения для возбуждения электронов, остающихся в состоянии с самой низкой энергией, в короткоживущее состояние с более высокой энергией. Эти электроны испускают фотоны каждый раз, когда они выходят из этого переходного состояния, и результирующее излучение может быть уловлено фотодатчиком, таким как камера или фотоумножитель.

Волшебный переход: в часах на оптической решетке электрон (желтая точка) может поглощать электромагнитное излучение, чтобы переходить с орбиты с более низкой энергией на орбиту с более высокой энергией вокруг ядра атома часов (в центре). Свет, используемый для захвата атома, может сместить естественную энергию каждой орбитали (пунктирные линии) вниз по энергии (сплошные линии). Это обычно изменяет энергию, связанную с прыжком. Но для «волшебной длины волны» улавливания света энергетический сдвиг каждой орбитали будет одинаковым, и частота перехода останется прежней.

Если обнаружено мало фотонов, это означает, что электроны в основном совершают часовой переход, и входящая частота хорошо совпадает. Если испускается много фотонов, это означает, что большинство электронов не были возбуждены тактовым сигналом. Контур обратной связи с сервоприводом используется для настройки источника излучения таким образом, чтобы его частота всегда была близка к атомному переходу.

Преобразование этой опорной частоты в часы, отсчитывающие секунды, требует дополнительных действий. Как правило, частота, измеренная в атомных часах, используется для калибровки других источников частоты, таких как водородные мазеры и кварцевые часы. «Счетчик», сделанный с использованием базовой аналоговой схемы, может быть подключен к водородному мазеру для преобразования его электромагнитного сигнала в часы, которые могут отсчитывать тики для отметки времени.

Наиболее распространенные сегодня атомные часы используют атомы цезия-133, электронный переход которого лежит в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. Если атом находится при абсолютном нуле и невозмущен (подробнее об этом чуть позже), этот переход произойдет с частотой ровно 9 192 631 770 герц. И действительно, именно так мы определяем секунду в Международной системе единиц — это время, необходимое для возникновения 9 192 631 770 циклов излучения с частотой 9 192 631 770 Гц.

На самом деле цезий-133 не такой уж идеальный маятник. Атомы испытывают различные формы возмущения из-за своего несовершенного окружения. Например, движение атома в пространстве, которое в лаборатории легко может достигать 100 метров в секунду, может смещать частоту электронного перехода посредством эффекта Доплера. Это то же самое явление, которое влияет на высоту тона сирен скорой помощи и других звуков, поскольку источник звука перемещается относительно слушателя. Взаимодействия с электронными облаками других атомов также могут изменять энергии электронных состояний, как и внешние электромагнитные поля рассеяния.

Возмущения снижают точность часов: насколько средняя частота атома смещена от ее естественного невозмущенного значения. Некоторые из этих смещений можно учесть, и изменения в конструкции часов помогли минимизировать эти смещения. Действительно, одно из самых впечатляющих усовершенствований произошло в начале 1990-х годов, когда физики разработали фонтанные часы. Эти часы используют лазер для запуска охлажденных атомов цезия вверх, как если бы они были каплями воды из фонтана, так что доплеровский сдвиг, вызванный движением вверх, компенсирует почти весь сдвиг, возникающий при их падении.

Но в наши дни цезиевые часы не могут быть улучшены намного больше. Крошечных успехов становится все труднее достичь, и любые успехи, которые мы пытаемся сделать сейчас, займут много времени. Это потому, что цезиевые часы раздвигают границы другой ключевой метрики, которую мы используем для оценки часов: стабильности их частоты.

Стабильность частоты характеризует изменение тактовой частоты во времени. Чем больше нестабильность частоты, тем больше частотный шум, поэтому тактовая частота будет иногда немного выше, а иногда немного ниже своего среднего значения.

Тщательная разработка может свести к минимуму большинство источников частотного шума. Но есть фундаментальный источник нестабильности, который очень трудно преодолеть, потому что он исходит из вероятностной природы квантовой механики. Чтобы понять это, вернемся к основному принципу работы атомных часов.

Нахождение частоты: Основная частота перехода часы-атом (f
₀ ) часто компенсируется некоторой величиной (Δf). Чтобы лучше обнаруживать флуктуации вокруг результирующей частоты перехода (f
₀ +Δf), частота часового лазера немного смещена (f
_замок ). Это снижает вероятность того, что электрон совершит переход, и приводит к ненужным поправкам к частоте часового лазера, которые вызывают шум, называемый шумом квантовой проекции. QPN уменьшается с количеством атомов (
N ).

Обычно мы возбуждаем электроны в атомных часах излучением, частота которого не совсем совпадает с частотой перехода. Это потому, что вероятность того, что электрон будет возбужден, следует распределению, напоминающему колоколообразную кривую. На сторонах колоколообразной кривой легче увидеть, произошло ли небольшое изменение частоты, потому что оно производит более заметный эффект, более резко увеличивая или уменьшая вероятность возбуждения электрона [см. иллюстрацию «Определение частоты»]. . Из-за этого во время обычной работы атомных часов излучение часов настроено так, что существует только 50-процентная вероятность того, что любой данный атом совершит часовой переход. Но даже если частота излучения часов установлена ​​именно в этой точке, электрон после измерения будет либо в возбужденном, либо в невозбужденном состоянии. В этом случае сервоконтур ошибочно предположит, что частота излучения тактового генератора либо слишком высока, либо слишком низка, и введет чрезмерную коррекцию частоты.

Эти неправильные исправления вызывают дополнительный шум в часах, который мы называем шумом квантовой проекции (QPN), и они являются основным источником нестабильности частоты в лучших цезиевых часах. Как и многие случайные источники шума, средний уровень QPN уменьшается со временем. Чем дольше вы наблюдаете за часами, тем чаще случайные сдвиги частоты вверх нейтрализуют сдвиги вниз, и шум в конце концов становится незначительным.

Загвоздка в том, что для цезия это занимает много времени: требуется около суток, чтобы стабильность лучших цезиевых часов достигла 2 частей за 10 ¹⁶ — их установившийся уровень точности. (Метрологи обычно измеряют такие величины, как точность и стабильность, в дробных единицах. Для цезиевых часов с частотой 9,2 гигагерца точность 2 × 10 ¹⁶ соответствует погрешности частоты в 1,8 мкГц.)

Вы может провести серию экспериментов, чтобы сделать цезиевые часы более точными. Но каждое измерение должно было бы состоять из большого количества данных, полученных в течение очень длительного времени, чтобы свести к минимуму случайные колебания от измерения к измерению. В серии экспериментов, направленных на снижение точности часов до 1 части на 10 ¹⁷ , 20-кратное улучшение, на одно измерение может уйти целый год.

К счастью, есть и другие способы минимизировать QPN. Шум одинаков независимо от частоты, но его относительное влияние уменьшается по мере увеличения частоты. И точно так же, как среднее значение QPN уменьшается, чем дольше вы наблюдаете за часами, увеличение количества атомов, которые вы одновременно опрашиваете, повысит отношение сигнал/шум. Чем больше вы сможете сэмплировать за один раз, тем меньше у вас будет неопределенности в количестве атомов, совершивших часовой переход.

Иллюстрация: Эмили Купер
Ввод:  Чтобы улавливать тысячи атомов одновременно, используется ряд оптических устройств для фокусировки и выбора поляризованного лазерного излучения [розового цвета]. Этот лазерный свет отражается обратно зеркалом, образуя решетчатый узор из областей высокой и низкой интенсивности, когда лазерный луч интерферирует сам с собой [верхняя иллюстрация]. Атомы притягиваются к тысячам ярких участков этой оптической решетки. Три пары электромагнитов (показана одна пара) настроены на подавление внешних магнитных полей. Часовой лазерный луч [синий] используется для возбуждения электронов в захваченных атомах.

Работа над оптическими атомными часами мотивировала переход на более высокие частоты. Первые из этих часов были разработаны в начале 1980-х годов, и в настоящее время они могут быть построены из любого ряда нейтральных или ионизированных вариантов элементов, включая ртуть, стронций, кальций, иттербий и алюминий. Общим для всех них являются относительно высокие резонансные частоты, которые находятся в оптическом спектре около нескольких сотен тысяч гигагерц, что в 10 000 раз превышает частоту цезия. Использование более высокой частоты снижает QPN, а также снижает относительное влияние нескольких факторов, которые могут смещать тактовую частоту. К ним относятся взаимодействия с внешними магнитными полями, исходящими от Земли или близлежащего металла (или, в Париже, линий метро). В качестве дополнительного бонуса, если оптические часы состоят из ионов, эти заряженные атомы могут быть легко захвачены колеблющимся электрическим полем, которое компенсирует большую часть их движения, эффективно устраняя эффект Доплера.

Но у оптических часов есть свои ограничения. Если все остальные аспекты часов одинаковы, переход на оптические частоты должен снизить QPN до 0,01% от того, что у цезия. Но многие оптические часы сделаны из ионов, а не из нейтральных атомов, как те, что используются в цезиевых часах. Поскольку они заряжены, ионы довольно легко захватываются, но они также легко толкают друг друга, когда расположены близко друг к другу, создавая движение, которое трудно контролировать, и вызывая доплеровский сдвиг частоты. В результате такие часы, как правило, используют только один ион за раз, поэтому они примерно в 20 раз стабильнее и в 25 раз точнее, чем лучшие цезиевые часы, которые легко могут содержать миллион атомов. Чтобы приблизиться к увеличению стабильности в 10 000 раз, обещанному оптическими часами, мы должны найти способ увеличить количество атомов в оптических часах, одновременно опрашивая многие атомы, чтобы усреднить QPN. А с часами на оптической решетке исследователи поняли, что они могут пойти очень далеко, измеряя не просто горстку атомов, а 10 000 или более одновременно.

Конечно, это непросто. Чтобы построить часы из 10 000 атомов, вы должны найти способ создать атомный ансамбль, который будет одновременно плотно замкнутым (чтобы свести к минимуму эффект Доплера) и иметь очень низкую плотность (чтобы свести к минимуму электромагнитные взаимодействия между атомами). Атомы в типичном кристалле движутся слишком быстро и взаимодействуют слишком сильно, чтобы работать, поэтому лучший способ продолжить работу — создать искусственный материал с решеткой собственного изобретения.

Чтобы построить часы на оптической решетке, мы начинаем почти так же, как и во многих экспериментах с холодными атомами, с ансамбля медленно движущихся нейтральных атомов, охлаждаемых лазером. Мы отправляем их в вакуумный сосуд, содержащий единственный лазерный луч, который отражается сам на себя. В областях, где луч перекрывается сам с собой, возникает интерференционная картина, создающая оптическую решетку из тысяч маленьких «блинов» света. Атомы падают в решетку, как яйца в картонную коробку, из-за силы, которая притягивает каждый из них к месту, где интенсивность света максимальна. Как только атомы находятся на своих местах, мы используем отдельный «часовой лазер» для возбуждения атомов, чтобы мы могли измерить частоту часового перехода.

Сложность в том, что часовые атомы не так просто втиснуть в эту решетку. Недорогие лазеры имеют выходную мощность в милливаттах. Чтобы создать решетку, достаточно сильную, чтобы поймать и удержать нейтральный атом, вам потребуется несколько ватт света. Однако такой мощный лазерный луч может сдвигать энергетические уровни часовых атомов, отодвигая их частоту перехода далеко от их естественного состояния. Величина этого сдвига будет зависеть от интенсивности захватывающего света, и эту интенсивность трудно контролировать. Даже при очень тщательной калибровке такой большой сдвиг частоты сделал бы часы гораздо более неточными, чем даже самые первые цезиевые часы.

К счастью, в начале 2000-х годов физик Хидетоси Катори придумал обходной путь. Когда атомы попадают в ловушку света, энергия, связанная с каждой электронной орбиталью, уменьшается. Катори, в то время работавший в Токийском университете, отметил, что каждая орбиталь будет реагировать по-разному со сдвигом энергии, который будет зависеть от длины волны захватывающего света. Для определенной «волшебной» длины волны сдвиг обеих орбиталей будет одинаковым, и поэтому разница в энергии между двумя орбиталями не изменится. Эта волшебная длина волны, при которой тактовая частота остается неизменной независимо от того, захвачены атомы или нет, различна для каждого элемента. Для стронция это 813 нанометров в инфракрасной части спектра. Магическая длина волны иттербия — 759.нм; у ртути находится в ультрафиолетовой части спектра, при 362 нм.

Время марширует:  С момента своего появления в 1955 году атомные часы добились больших успехов, повышая точность примерно в 10 раз каждое десятилетие. Цезиевые часы [зеленые], которые используют микроволновое излучение для опроса ансамблей атомов цезия, были первыми. В 2000-х годах их превзошли по точности оптические часы [розовые], которые используют лазерный свет и часто всего один ион. В этом году часы на оптической решетке, включающие в себя тысячи атомов (синий цвет), стали самыми точными атомными часами. Символ у каждой точки оптической решетки обозначает атомные соединения, используемые в часах: стронций (Sr), ртуть (Hg) и иттербий (Yb).

Когда Катори сделал свое предложение, моя группа в отделе Systèmes de Référence Temps-Espace (LNE-SYRTE) Парижской обсерватории, которая отвечает за поддержание эталонного времени и частотных сигналов Франции, уже исследовала использование стронция для оптических часов. . Мы почти сразу же приступили к работе, чтобы посмотреть, сможем ли мы сделать часы на оптической решетке, используя стронций, соревнуясь сначала только с двумя другими группами, имевшими многолетний опыт работы с охлажденным стронцием: командой Катори в Токио и группой Джун Йе в JILA. в Боулдере, штат Колорадо. Десять лет спустя и многие другие группы построили часы на решетке, используя стронций и иттербий. Другие экспериментальные проекты с использованием ртути или магния, которые требуют еще более высокочастотных и менее развитых лазеров, также находятся в разработке.

Одним из ключевых факторов повышения точности часов на оптической решетке за последние несколько лет стала разработка часовых лазеров с очень узким спектром — по сути, это всего лишь небольшой всплеск на одной конкретной частоте. Нам это нужно, чтобы эффективно исследовать область вокруг частоты перехода часов, чтобы в мельчайших деталях увидеть, как небольшое смещение частоты часов влияет на вероятность перехода.

Лучший способ получить лазерный луч с узкими линиями — это поместить его в зеркальную камеру, называемую полостью Фабри-Перо. После того, как свет любой произвольной длины волны отразится туда-сюда внутри этой полости миллион раз, он будет интерферировать сам с собой и нейтрализовать себя. Возникает только лазерный свет с длиной волны, составляющей долю длины резонатора.

Хотя резонатор помогает отфильтровывать естественные колебания частоты лазерного источника, этот метод не идеален. Частота часового лазера, выходящего из резонатора, может колебаться из-за тепловых флуктуаций, которые заставляют резонатор слегка расширяться или сжиматься.

Но за последние несколько лет исследователи нашли способы смягчить этот эффект. Полости были сделаны длиннее, поэтому относительное влияние небольшого изменения длины меньше. Вибрации затухли. Полости также были охлаждены до криогенных температур, чтобы ограничить крошечные расширения и сжатия из-за тепловой энергии.

Конечным результатом стали гораздо более стабильные часовые лазеры. В настоящее время за несколько секунд, необходимых для подготовки и исследования часовых атомов, часовой лазер с частотой 429 терагерц может дрейфовать по частоте всего на 40 миллигерц или около того. Для типичной полости длиной в несколько десятков сантиметров это составляет изменение ее длины не более чем на несколько процентов от размера протона за несколько секунд, необходимых для подготовки и зондирования атомов в оптических часах. .

Во многом благодаря этим усилиям стабильность, достигнутая в течение одного дня с цезиевыми часами или за несколько минут с оптическими ионными часами, теперь может быть достигнута за 1 секунду с часами на оптической решетке, что близко к пределу QPN. Эта улучшенная стабильность делает сами часы инструментом. Чем меньше времени вам нужно для сбора данных для точного измерения частоты атомных часов, тем быстрее вы сможете использовать часы для проведения экспериментов, чтобы изучить способы их улучшения. Действительно, всего через три года после того, как в часах с оптическими решетками в Национальном институте стандартов и технологий США были продемонстрированы первые улучшения стабильности частоты, эти часы стали лидерами по точности. Опубликованный рекорд в настоящее время принадлежит одному из OLC стронция в JILA, который может похвастаться расчетной точностью 6,4 частей на 10 9 .0468 18 .

Часы хороши только сами по себе . Для оценки одних часов требуются другие, сопоставимые часы, которые служат эталоном. Когда десять лет назад впервые были разработаны OLC, первоначальные сравнения проводились между OLC стронция и цезиевыми часами. Этих измерений было достаточно, чтобы установить первые перспективы OLC. Но чтобы по-настоящему убедиться в точности атомных часов, крайне важно напрямую сравнить два часа одного и того же типа. Если они так точны, как рекламируется, их частоты должны быть идентичными.

Итак, как только в 2007 году мы закончили изготовление одних стронциевых часов на оптической решетке, мы начали работу над вторыми. Мы закончили вторые часы в 2011 году и приступили к первому сравнению двух часов на оптической решетке, чтобы напрямую установить их точность, не полагаясь на цезиевые часы.

Как только вторые часы построены, вскоре становятся очевидными ранее незаметные проблемы. И действительно, вскоре мы обнаружили недостатки, на которые не обращали внимания. Одним из них было влияние статических электрических зарядов, застрявших на окнах вакуумной камеры. Нам пришлось посветить на окна ультрафиолетовым светом, чтобы эффективно снять заряды.

В статье, опубликованной в прошлом году в Nature Communications , мы показали, что наши два OLC стронция согласуются на уровне 1 часть из 10 ¹⁶ , что является убедительным подтверждением того, что эти часы более точны, чем лучшие цезиевые часы. Ранее в этом году команда Катори из исследовательского института Riken в Вако, Япония, сообщила о согласовании нескольких частей 10 ¹⁸ в аналогичных часах, на этот раз помещенных в криогенную среду.

Кстати, частота оптических часов настолько высока, что ни одно электронное устройство не может считать их ходы. Такого рода сравнения часов основаны на новой технологии, которая все еще находится в стадии разработки: частотной гребенке. Этот инструмент использует лазерные импульсы длительностью фемтосекунды для создания спектра, состоящего из когерентных, равномерно расположенных зубцов, охватывающих видимый и инфракрасный спектры. По сути, он действует как линейка оптических частот.

Возможность выполнять сравнения между OLC подталкивает нас дальше по дороге к переопределению секунды. Прежде чем произойдет переопределение Международной системы единиц, большое количество лабораторий должны продемонстрировать не только то, что они могут внедрить новый стандарт, но и сравнить свои измерения. Необходим консенсус, чтобы установить, что все лаборатории находятся на одной волне. Также необходимо обеспечить, чтобы мир мог буквально вести время: всеобщее скоординированное время, время, по которому устанавливаются мировые часы, и международное атомное время, на основе которого оно получено, создаются путем взвешивания среднего большого количества микроволновых часы по всему миру.

Цезиевые часы «объединены в сеть» с использованием сигналов, излучаемых спутниками, и сравниваются с помощью микроволновой передачи. Это достаточно хорошо для микроволновых часов, но слишком нестабильно для распределения более точных сигналов часов оптической решетки. Но вскоре международные сравнения оптических часов достигнут новой вехи. В настоящее время строятся новые оптоволоконные соединения, построенные со специальными системами фазовой компенсации, которые могут компенсировать небольшие временные сдвиги, вызванные линиями.

К концу этого года, благодаря ряду национальных и международных проектов, мы ожидаем, что сможем начать использовать такие соединения для проведения первых сравнений между часами на оптической решетке, базирующимися в LNE-SYRTE в Париже и в Physikalisch- Technische Bundesanstalt, национальный метрологический центр Германии, в Брауншвейге. Соединение с Национальной физической лабораторией в Лондоне, где установлены часы на ионах стронция и иттербия, также должно быть завершено в начале следующего года. Эти усилия проложат путь к международной метрологической сети, которая позволит разработать новый стандарт для секунд.

Тем временем ученые уже начали использовать часы на оптической решетке в качестве инструмента для изучения природы. Одно из направлений было сосредоточено на измерении отношения частот между двумя часами, использующими разные типы атомов. Это соотношение зависит от фундаментальных физических констант, таких как постоянная тонкой структуры, которая может открыть новую физику, если окажется, что она меняется во времени или от места к месту.

Астрономам также могут быть полезны оптические часы. Атомные часы используются в качестве эталона времени в радиоастрономии, позволяя астрономам комбинировать свет, собранный телескопами, разделенными сотнями или тысячами километров, для создания виртуального телескопа с угловым разрешением, эквивалентным разрешающей способности одного телескопа, охватывающего все это расстояние. По мере развития оптических атомных часов они могли бы сделать то же самое для оптических телескопов.

И нетрудно представить, что часы на оптической решетке могут предложить новое понимание мира под нашими ногами. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, часы, расположенные в более плотной части Земли, будут идти медленнее по сравнению с часами, расположенными в менее плотной части. Хотя гравиметры можно использовать для измерения гравитационной силы в любой точке, измерение гравитационного потенциала, которое могло бы пролить свет на различные, более глубокие структуры внутри Земли, должно выполняться путем интеграции измерений гравиметров в разных точках на поверхности Земли или путем измерения орбит. спутников. Метрологи и геодезисты теперь объединяются, чтобы понять, что смогут предложить часы на оптической решетке. Возможно, их можно будет использовать в разных точках Земли для обнаружения нефти, мониторинга землетрясений и предсказания вулканов.

Тем временем еще многое предстоит сделать, чтобы улучшить стабильность и точность OLC. В последнее время были предприняты большие усилия по борьбе с эффектом излучения черного тела. Это излучение неизбежно испускается любым физическим телом с ненулевой температурой, включая вакуумную камеру, окружающую атомы часов. При взаимодействии с атомами он сдвигает энергетические уровни часового перехода. Этот сдвиг можно исправить задним числом, но необходимо точно знать температуру и излучательную способность вакуумной камеры. Также можно заключить атомы в криогенную среду или использовать атомные разновидности, которые по своей природе менее чувствительны к излучению черного тела, такие как ртуть, путь, который исследует наша группа.

До конца десятилетия новые поколения сверхузких лазеров, вероятно, также помогут снизить стабильность ниже 1 части на 10 ¹⁷ после одной секунды сбора данных. Это позволит нам достичь точности ниже 10 ⁻¹⁸ , что более чем в 100 раз превышает точность цезиевых часов. По мере того, как OLC становятся более точными, область применения будет продолжать расширяться.

Даже если OLC будут пользоваться бешеным успехом, мы не откажемся от цезиевых часов, которые останутся более компактными и менее дорогими в изготовлении. А в будущем OLC могут быть вытеснены часами еще более высокой частоты, основанными на энергетических переходах внутри ядра атома, а не между электронами на орбите вокруг него. Эти ядерные переходы в основном недоступны современным лазерным технологиям, хотя исследователи начинают их изучать.

Но вскоре мы увидим еще один стандарт времени, который может значительно повлиять на то, как мы относимся к нашей вселенной. Точно так же, как время продолжает идти, улучшения в нашей способности измерять его будут продолжаться.

Первоначально эта статья появилась в печати под названием «Еще лучшие атомные часы».

Жером Лодевик, доцент Национального центра научных исследований Франции, любит сражаться с атомами, определяя каждый фактор, который может повлиять на их поведение. Это принуждение пригодилось в 2007 году, когда он занял постдокторскую должность в Парижской обсерватории и сразу же получил задание построить с нуля часы на оптической решетке. Эти часы сейчас являются самыми точными в мире и однажды могут дать новое определение секундам.

Ртуть против алюминия: гонка за самые точные часы в мире

Атомные часы, использующие атом алюминия для применения компьютерной логики к особенностям квантового мира, теперь соперничают с самыми точными часами в мире, основанными на единственном ртути атом. Оба часа как минимум в 10 раз более точны, чем текущий стандарт времени США.

Измерения были сделаны в течение года для сравнения двух часов следующего поколения, разработанных и изготовленных в Национальном институте стандартов и технологий Министерства торговли (NIST). Часы сравнивались с рекордной точностью, что позволило ученым измерить относительную частоту двух часов с точностью до 17 цифр — самое точное измерение такого типа из когда-либо проводившихся.

Сравнение дало самые точные результаты во всемирном стремлении определить, изменяются ли некоторые фундаментальные константы, описывающие Вселенную, со временем, что является актуальным исследовательским вопросом, который может изменить основные модели космоса.