Коливання атома цезію. Хто винайшов, хто створив, а також хто придумав цей чудо-годинник? Використання в супутниковій навігації

Які "годинники" придумали та вдосконалювали цей надзвичайно точний механізм? Чи є йому заміна? Спробуємо розібратися.

У 2012 році атомне хронометрування святкуватиме своє сорокап'ятиріччя. У 1967 року категорія часу у Міжнародній системі одиниць стала визначатися не астрономічними шкалами, а цезієвим стандартом частоти. Саме його в народі і називають атомним годинником.

Який принцип роботи атомних осциляторів? Як джерело резонансної частоти ці "пристрою" використовують квантові енергетичні рівні атомів або молекул. Квантова механіка пов'язує із системою "атомне ядро ​​- електрони" кілька дискретних енергетичних рівнів. Електромагнітне поле певної частоти може спровокувати перехід цієї системи з низького рівня більш високий. Можливе і протилежне явище: атом може перейти з високого енергетичного рівня на нижчий із випромінюванням енергії. І тим і іншим явищем можна керувати та фіксувати ці енергетичні міжрівневі стрибки, створивши тим самим подібність коливального контуру. Резонансна частота цього контуру дорівнюватиме різниці енергій двох рівнів переходу, поділеної на постійну Планка .

Отриманий при цьому атомний осцилятор має безперечні переваги по відношенню до своїх астрономічних і механічних попередників. Резонансна частота всіх атомів обраної для осцилятора речовини буде, на відміну маятників і п'єзокристалів, однакова. Крім того, атоми з часом не зношуються та не змінюють свої властивості. Ідеальний варіант для практично вічного та надзвичайно точного хронометра.

Вперше можливість використання міжрівневих енергетичних переходів в атомах як стандарт частоти в далекому 1879 розглянув британський фізик Вільям Томсон, більш відомий як лорд Келвін. Як джерело атомів-резонаторів він пропонував використовувати водень. Однак його дослідження мали швидше теоретичний характер. Наука на той час ще була готова до розробки атомного хронометра.

Потрібно було майже сто років, щоб ідея лорда Келвіна набула практичного втілення. Термін чималий, але й завдання було нелегким. Перетворити атоми на ідеальні маятники на практиці виявилося важче, ніж у теорії. Складність полягала у битві з так званою резонансною шириною – невеликим коливанням частоти поглинання та випромінювання енергії при переході атомів з рівня на рівень. Відношення резонансної частоти до резонансної ширини визначає якість атомного осцилятора. Очевидно, що чим більше значення резонансної ширини, тим нижча якість атомного маятника. На жаль, підвищити резонансну частоту для покращення якості неможливо. Вона стала для атомів кожної конкретної речовини. А ось зменшити резонансну ширину можна шляхом збільшення часу нагляду за атомами.

Технічно цього можна досягти наступним чином: нехай зовнішній, наприклад, кварцовий, осцилятор періодично генерує електромагнітне випромінювання, що змушує атоми речовини-донора стрибати по енергетичних рівнях. При цьому завданням налаштування атомного хронографа є максимальне наближення частоти кварцового осцилятора до резонансної частоти міжрівневого переходу атомів. Можливим це стає у разі досить великого періоду спостереження за коливаннями атомів та створення зворотного зв'язку, що регулює частоту кварцу.

Щоправда, крім проблеми зниження резонансної ширини в атомному хронографі, існує безліч інших проблем. Це і доплеровський ефект - зміщення резонансної частоти внаслідок руху атомів, і взаємні зіткнення атомів, що викликають незаплановані енергетичні переходи, і навіть вплив всепроникної енергії темної матерії.

Вперше спробу практичної реалізації атомного годинника було здійснено в тридцяті роки минулого століття вченими Колумбійського університету під керівництвом майбутнього нобелівського лауреата доктора Айсідора Рабі. Як речовина - джерело атомів-маятників Рабі запропонував використовувати ізотоп цезію 133 Cs. На жаль, роботи Рабі, які дуже зацікавили NBS, були перервані Другою світовою війною.

Після її закінчення першість реалізації атомного хронографа перейшла до співробітника NBS Гарольда Лайонса. Його атомний осцилятор працював на аміаку і давав похибку, порівнянну з найкращими зразками кварцових резонаторів. У 1949 році аміачний атомний годинник був продемонстрований широкому загалу. Незважаючи на досить посередню точність, у них було реалізовано основні засади майбутніх поколінь атомних хронографів.

Отриманий Луї Ессен прототип цезієвих атомних годин забезпечував точність 1 * 10 -9 , володіючи при цьому шириною резонансу всього в 340 Герц

Трохи пізніше професор Гарвардського університету Норман Ремсі удосконалив ідеї Айсідора Рабі, знизивши вплив на точність вимірів доплерівського ефекту. Він запропонував замість одного тривалого високочастотного імпульсу, що збуджує атоми, використовувати два короткі, послані в плечі хвилеводу на деякій відстані один від одного. Це дозволило різко знизити резонансну ширину і фактично уможливило створення атомних осциляторів, що на порядок перевершують за точністю своїх кварцових предків.

У п'ятдесяті роки минулого століття на основі схеми, запропонованої Норманом Ремсі, у Національній фізичній лабораторії (Великобританія) її співробітник Луї Ессен вів роботу над атомним осцилятором на основі запропонованого Рабі ізотопу цезію 133 Cs. Цезій був обраний невипадково.

Схема надтонких рівнів переходу атомів ізотопу цезію-133

Належачи до групи лужних металів, атоми цезію надзвичайно просто збуджуються для стрибка між енергетичними рівнями. Приміром, пучок світла легко здатний вибити з атомної структури цезію потік електронів. Саме завдяки цій властивості цезій широко застосовується у складі фотодетекторів.

Пристрій класичного цезієвого осцилятора на основі хвилеводу Ремсі

Перший офіційний цезієвий стандарт частоти NBS-1

Нащадок NBS-1 - осцилятор NIST-7 використовував лазерне накачування променя атомів цезію

Щоб прототип Ессена став справжнім стандартом, знадобилося понад чотири роки. Адже точне налаштування атомного годинника було можливе лише шляхом порівняння з існуючими ефемеридними одиницями часу. Протягом чотирьох років атомний осцилятор калібрувався за допомогою спостережень за обертанням Місяця навколо Землі за допомогою найточнішої місячної камери, винайденої співробітником Військово-морської обсерваторії США Вільямом Марковіцем.

"Підгонка" атомного годинника за місячними ефемеридами велася з 1955 по 1958 рік, після чого пристрій було офіційно визнано NBS як стандарт частоти. Більш того, безпрецедентна точність цезієвого атомного годинника спонукала NBS змінити в стандарті SI одиницю вимірювання часу. З 1958 року в якості секунди офіційно була прийнята "тривалість 9192631770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями стандартного стану атома ізотопу цезію-133".

Пристрій Луї Ессена отримав назву NBS-1 і став вважатися першим цезієвим стандартом частоти.

За наступні тридцять років були розроблені шість модифікацій NBS-1, остання з яких - NIST-7, створена в 1993 завдяки заміні магнітів на лазерні пастки, забезпечує точність 5 * 10 -15 при резонансній ширині всього шістдесят два Герца.

Порівняльна таблиця характеристик цезієвих стандартів частоти, що використовуються NBS

Пристрої NBS є стаціонарними стендами, що дозволяє віднести їх швидше до еталонів, ніж до осциляторів, що практично використовуються. А ось для суто практичних цілей на благо цезієвого стандарту частоти попрацювала компанія Hewlett-Packard. У 1964 році майбутній комп'ютерний гігант створив компактний варіант стандарту цезієвого частоти - пристрій HP 5060A.

Відкалібровані з використанням еталонів NBS частотні стандарти HP 5060 вміщалися в типову стійку радіообладнання і мали комерційний успіх. Саме завдяки цезієвому стандарту частоти, заданому в Hewlett-Packard, безпрецедентна точність атомного годинника пішла в широкі маси.

Hewlett-Packard 5060A.

В результаті стали можливі такі речі, як супутникове телебачення та зв'язок, глобальні системи навігації та служби синхронізації часу інформаційних мереж. Застосування доведеної до промислового зразка технології атомного хронографа знайшлося багато. При цьому Hewlett-Packard не зупинялися на досягнутому і постійно покращують якість цезієвих стандартів та їх масо-габаритні показники.

Сімейство атомних годинників компанії Hewlett-Packard

У 2005 році підрозділ Hewlett-Packard, що відповідає за розробку атомного годинника, було продано компанії Simmetricom.

Поряд з цезієм, запаси якого в природі дуже обмежені, а попит на нього в різних технологічних областях надзвичайно великий, в якості речовини-донора використовувався рубідій, за властивостями дуже близький до цезію.

Здавалося б, існуюча схема атомного годинника доведена до досконалості. Тим часом вона мала прикрий недолік, усунення якого стало можливим у другому поколінні стандартів цезієвих частоти, іменованих цезієвими фонтанами.

Фонтани часу та оптична патока

Незважаючи на високу точність атомного хронометра NIST-7, що використовує лазерне детектування стану атомів цезію, його схема не відрізняється від схем перших варіантів цезієвих стандартів частоти.

А конструктивним недоліком всіх цих схем і те, що контролювати швидкість поширення променя з атомів цезію, які у хвилеводі, принципово неможливо. І це при тому, що швидкість руху атомів цезію при кімнатній температурі – сто метрів за секунду. Дуже швидко.

Саме тому всі модифікації цезієвих стандартів – це пошук балансу між розмірами хвилеводу, що встигає впливати на швидкі атоми цезію у двох точках, та точністю детектування результатів цього впливу. Чим менший хвилевід, тим важче встигнути зробити послідовні електромагнітні імпульси, що впливають на ті самі атоми.

А якщо знайти спосіб знизити швидкість руху атомів цезію? Саме цією думкою перейнявся студент Масачусетського технологічного інституту Джеролд Захаріус, який вивчав наприкінці сорокових років минулого століття вплив сили тяжіння на поведінку атомів. Пізніше, залучений до розробки варіанта цезієвого стандарту частоти Atomichron, Захаріус запропонував ідею цезієвого фонтану - способу, що дозволяє знизити швидкість руху атомів цезію до одного сантиметра в секунду і позбутися двоколінного хвилеводу традиційних атомних осциляторів.

Ідея Захаріуса була простою. Що, якщо запускати атоми цезію всередині осцилятора вертикально? Тоді одні й самі атоми двічі проходитимуть через детектор: вперше під час подорожі вгору, а другий - вниз, куди вони спрямуються під впливом сили тяжіння. При цьому рух атомів вниз буде суттєво повільнішим за їх зліт, адже за час подорожі у фонтані вони підбадьорюють енергію. На жаль, у п'ятдесяті роки минулого сторіччя реалізувати свої ідеї Захаріус не зміг. У його експериментальних установках атоми, що рухалися вгору, взаємодіяли з падаючими вниз, що збивало точність детектування.

До ідеї Захаріуса повернулися лише у вісімдесяті роки. Вчені Стенфордського університету під керівництвом Стівена Чу знайшли спосіб реалізації фонтану Захаріуса з використанням методу, названого ними "оптична патока".

У цезієвому фонтані Чу хмара атомів цезію, що вистрілюються вгору, попередньо охолоджується системою з трьох пар протилежно спрямованих лазерів, що мають резонансну частоту трохи нижче за оптичний резонанс атомів цезію.

Схема цезієвого фонтану із оптичною патокою.

Охолоджені лазерами атоми цезію починають рухатися повільно, немов крізь патоку. Їхня швидкість падає до трьох метрів за секунду. Зменшення швидкості атомів дає дослідникам можливість більш точного детектування стану (погодьтеся, значно простіше розглянути номери машини, що рухається зі швидкістю один кілометр на годину, ніж машини, що рухається зі швидкістю сто кілометрів на годину).

Куля з охолоджених атомів цезію запускається приблизно на метр, шляхом проходячи хвилевід, через який на атоми впливає електромагнітне поле резонансної частоти. І детектор системи фіксує зміну стану атомів уперше. Досягши "стелі", охолоджені атоми починають падати завдяки силі тяжкості і проходять хвилевод вдруге. По дорозі назад детектор знову фіксує їх стан. Оскільки атоми рухаються надзвичайно повільно, їх політ у вигляді досить щільної хмари легко контролювати, а значить, у фонтані не буде одночасно летять вгору і вниз атомів.

Установка Чу на основі цезієвого фонтану була прийнята NBS як стандарт частоти в 1998 році і отримала назву NIST-F1. Її похибка становила 4*10 -16 , отже, NIST-F1 була точніше попередника NIST-7.

Фактично NIST-F1 була досягнута межа точності вимірювань стану атомів цезію. Але вчені на цій перемозі не зупинились. Вони вирішили усунути похибку, яку вносить у роботу атомного годинника випромінювання абсолютно чорного тіла - результат взаємодії атомів цезію з тепловим випромінюванням корпусу установки, в якій вони рухаються. У новому атомному хронографі NIST-F2 цезієвий фонтан розміщувався в кріогенній камері, зводячи випромінювання абсолютно чорного тіла практично до нуля. Похибка NIST-F2 дорівнює неймовірній величині 3 * 10-17.

Графік зменшення похибки варіантів цезієвих стандартів частоти

В даний час атомні частини на основі цезієвих фонтанів дають людству найточніший еталон часу, щодо якого б'ється пульс нашої техногенної цивілізації. Завдяки інженерним хитрощам імпульсні водневі мазери, які охолоджують атоми цезію в стаціонарних варіантах NIST-F1 та NIST-F2, були замінені на звичайний лазерний промінь, що працює в парі з магнітооптичною системою. Це дозволило створити компактні та дуже стійкі до зовнішніх впливів варіанти стандартів NIST-Fx, здатні працювати у космічних апаратах. Ці стандарти частоти встановлені в супутниках таких навігаційних систем, як GPS, що і забезпечує їх приголомшливу синхронізацію для вирішення завдання дуже точного обчислення координат приймачів GPS, що використовуються в наших гаджетах.

Компактний варіант атомного годинника на основі цезієвого фонтану, званий "Aerospace Cold Atom Clock", використовується в супутниках системи GPS

Обчислення еталонного часу виконується "ансамблем" із десяти NIST-F2, розташованих у різних дослідницьких центрах, що співпрацюють з NBS. Точне значення атомної секунди виходить колегіально, тим самим усуваються різні похибки і вплив людського фактора.

Однак не виключено, що одного разу цезієвий стандарт частоти сприйматиметься нашими нащадками як дуже грубий механізм вимірювання часу, подібно до того, як нині ми поблажливо дивимося на рухи маятника в механічному підлоговому годиннику наших предків.

У 21 столітті супутникова навігація розвивається швидкими темпами. Можна визначити положення будь-яких об'єктів, які хоч якось пов'язані із супутниками, чи то мобільний телефон, автомобіль чи космічний корабель. Але нічого цього не можна було досягти без атомного годинника.
Також цей годинник використовується в різних телекомунікаціях, наприклад, у мобільному зв'язку. Це найточніший годинник, який колись був, є і буде.Без них інтернет був би не синхронізований, ми не знали б відстань до інших планет та зірок тощо.
У годинах за секунду приймається 9 192 631 770 періодів електромагнітного випромінювання, яке виникло при переході між двома енергетичними рівнями атома цезію-133. Такий годинник називається цезієвим. Але це лише один із трьох видів атомних годинників. Ще є водневий і рубідієвий годинник. Однак, цезієвий годинник використовується найчастіше, тому не будемо зупинятися на інших видах.

Принцип роботи цезієвого атомного годинника

Лазер нагріває атоми ізотопу цезію і в цей час вбудований резонатор реєструє всі переходи атомів. І, як було сказано раніше, після досягнення 9 192 631 770 переходів, відраховується одна секунда.

Лазер, вбудований у корпус годинника, нагріває атоми ізотопу цезію. У цей час резонатор реєструє кількість переходів атомів нового енергетичний рівень. Коли досягається певна частота, а саме 9 192 631 770 переходів (Гц), то відраховується секунда, ґрунтуючись на міжнародній системі СІ.

Використання в супутниковій навігації

Процес визначення точного розташування того чи іншого об'єкта за допомогою супутника дуже непростий. У цьому беруть участь кілька супутників, а саме більше 4 на один приймач (наприклад, GPS навігатор в автомобілі).

У кожному супутнику встановлено високоточний атомний годинник, радіопередавач супутника та цифровий генератор коду. Радіопередавач посилає на Землю цифровий код та інформацію про супутник, а саме параметри орбіти, модель тощо.

Годинник визначає, за який час цей код дійшов до приймача. Таким чином, знаючи швидкість поширення радіохвиль, обчислюється відстань до приймача Землі. Але одного супутника для цього замало. Сучасні GPS приймачі можуть приймати сигнали від 12 супутників одночасно, що дозволяє визначити розташування об'єкта з точністю до 4-х метрів. До речі, варто зазначити, що GPS навігатори не потребують абонентської плати.

Ви коли-небудь помічали, що ваш годинник у будинку показує різний час? І як зрозуміти, який із усіх варіантів правильний? Відповіді на всі ці питання ми дізнаємось, досконально вивчивши принцип роботи атомного годинника.

Атомний годинник: опис та принцип роботи

Давайте спочатку розберемося, що ж являє собою механізм атомного годинника. Атомний годинник - це такий прилад, за допомогою якого відбувається вимір часу, але в ньому використовують його власні коливання, як періодичність процесу, а також все відбувається на атомному та молекулярному рівні. Звідси така точність.

Можна з упевненістю стверджувати, що атомний годинник найточніший! Саме завдяки їм у світі функціонує Internet, GPS-навігація, нам відоме точне розташування планет у сонячній системі. Похибка цього приладу є настільки мінімальною, що можна впевнено говорити, що вони світові! Завдяки атомному годиннику відбувається вся світова синхронізація, відомо, де знаходяться ті чи інші зміни.

Хто винайшов, хто створив, а також хто придумав цей чудо-годинник?

Ще на початку сорокових років ХХ століття було відомо про атомний пучок магнітного резонансу. Спочатку його застосування не стосувалося годинника - це була тільки теорія. Але вже в 1945 році Ісідор Рабі запропонував створити прилад, концепція якого полягала в тому, щоб вони працювали на основі вищеописаної техніки. Але вони влаштовані так, що показували не точні результати. І ось уже в 1949 році National Bureau of Standards сповістило весь світ про створення першого атомного годинника, в основу якого лягли молекулярні сполуки аміаку, а вже в 1952 році були освоєні технології для створення прототипу на основі атомів цезію.

Почувши про атоми аміаку і цезію, виникає питання, а чи не радіоактивні ці чудові годинник? Відповідь однозначна – ні! Вони відсутній атомний розпад.

В наш час є безліч матеріалів, з яких виробляють атомний годинник. Наприклад, це кремній, кварц, алюміній і навіть срібло.

Як працює прилад?

Давайте ж розберемося, як виглядають і як працюють годинники на атомній енергії. Для цього пропонуємо опис їхньої роботи:

Для правильного функціонування саме цього годинника необхідний не маятник, а також не кварцовий генератор. Вони використовують сигнали, що виникають унаслідок квантового переходу одного електрона між двома енергетичними рівнями атома. В результаті ми маємо змогу спостерігати електромагнітну хвилю. Іншими словами, ми отримуємо часті коливання та надвисокий рівень стабільності роботи системи. Щороку за рахунок нових відкриттів відбуваються модернізації процесів. Нещодавно фахівці The NationalInstituteo fStandardsand Technology (NIST) стали рекордсменами, встановивши абсолютний світовий рекорд. Вони змогли довести точність роботи атомного годинника (в основі був стронцій) до найменшого відхилення, а саме: за 15 млрд. років там набігає одна секунда. Так-так, вам не здалося, саме такий вік зараз присвоюється нашому з вами Всесвіту. Це величезне відкриття! Адже саме стронцій відіграв найважливішу роль у цьому рекорді. Аналогом «тикання» виступили атоми стронцію в його просторових ґратах, які створили вчені за допомогою лазера. Як і завжди в науці, теоретично все здається феєричним і вже вдосконаленим, але нестабільність такої системи може виявитися менш радісною на практиці. Саме через свою нестабільність світову популярність отримав прилад на цезії.

Тепер розглянемо, із чого складається такий прилад. Основними деталями тут є:

• квантовий дискримінатор;
• генератор із кварцу;
• електроніки.

Генератор з кварцу - це подоба автогенератора, але для резонансного елемента, в ньому застосовують п'єзоелектричні моди кварцового кристала.

Маючи квантовий дискримінатор та кварцовий осцилятор, під впливом їх частоти відбувається їх порівняння і при виявленні різниці, схема зворотного зв'язку вимагає від кварцового генератора підлаштовуватися під необхідне значення та підвищувати стабільність та точність. В результаті на виході бачимо на циферблаті точне значення, а значить, точний час.

Ранні моделі мали досить великі розміри, однак у жовтні 2013 року компанія "Bathys Hawaii" зробила фурор, випустивши мініатюрні атомні наручні годинники. Спочатку всі сприйняли таку заяву як жарт, але незабаром з'ясувалося, що це дійсно правда, і вони функціонують Безпека приладу забезпечується тим, що радіоактивний елемент міститься у вигляді газу в спеціальній капсулі, фото цього приладу розлетілося по всьому світу.

Багатьох у темі атомного годинника цікавить питання джерела харчування. Як батарейка використовується літій-іонний акумулятор. Але на жаль, поки що невідомо, на скільки вистачить такого акумулятора.

Годинник компанії «BathysHawaii» став дійсно першим атомним наручним годинником. Раніше вже були відомі випадки випуску щодо портативного приладу, але, на жаль, він не мав атомного джерела живлення, а всього лише виконував синхронізацію з реальним габаритним годинником по бездротовому радіозв'язку. Варто також згадати і вартість такого гаджета. Задоволення було оцінено у 12 тис. доларів США. Було зрозуміло, що з такою ціною годинник не набуде широкої популярності, але компанія цього не прагнула, адже випустила їх дуже обмеженою партією.

Нам відомі кілька типів атомних годинників. У їх конструкції і принципах немає істотних відмінностей, але все ж таки деякі відмінності все-таки є. Так, основні полягають у засобах знаходження змін та їх елементів. Можна виділити такі типи годинника:

1. Водневі. Їхня суть полягає в тому, що йде підтримка атомів водню на потрібному рівні енергетики, а ось стіни зроблені зі спеціального матеріалу. Виходячи з цього, робимо висновок, що саме водневі атоми дуже швидко втрачають свій енергетичний стан.
2. Цезієві. Основою для них є пучки цезію. Варто зазначити, що саме цей годинник є найточнішим.
3. Рубідієві. Вони є найпростішими та дуже компактними.

Як уже говорилося раніше, атомний годинник є дуже дорогим гаджетом. Так, кишеньковий годинник Hoptroff № 10 — яскравий представник іграшки нового покоління. Ціна такого стильного та дуже точного аксесуара становить 78 тис. доларів. Було випущено лише 12 екземплярів. У механізмі цього приладу використовується високочастотна система коливання, яка також оснащена GPS-сигналом.

На цьому компанія не зупинилася і саме у своїй десятій версії годинника хоче застосувати метод приміщення механізму в золотий корпус, який буде надрукований на популярному 3D-принтері. Точно ще не розраховано, скільки золота буде використано для такої версії корпусу, проте вже відома передбачувана роздрібна вартість цього шедевру — вона склала близько 50 тис. фунтів стерлінгів. І це ще не остаточна ціна, хоча в ній враховано всі обсяги досліджень, а також новизна та унікальність самого гаджета.

Історичні факти про використання годинника

Як же розповідаючи про атомний годинник, не згадати про найцікавіші факти, пов'язані з ними та часом загалом:

1. Ви знали, що в стародавньому Єгипті був знайдений найстаріший сонячний годинник?
2. Похибка атомного годинника мінімальна — вона становить лише 1 секунду на 6 мільйонів років.
3. Усі знають, що за хвилину — 60 секунд. Але мало хто вникав у те, скільки ж мілісекунд за одну секунду? А їх не багато і не мало – тисяча!
4. Кожен турист, який зміг побувати в Лондоні, обов'язково прагнув побачити на власні очі Біг Бен. Але, на жаль, не багато хто знає, що Біг Бен — зовсім не вежа, а назва величезного дзвону, який важить 13 тонн і дзвонить усередині вежі.
5. Ви ніколи не замислювалися, чому стрілки нашого з вами годинника йдуть саме зліва направо або як ми звикли говорити «за годинниковою стрілкою»? Цей факт безпосередньо пов'язаний з тим, як рухається тінь на сонячному годиннику.
6. Найперший наручний годинник був придуманий у недалекому 1812 році. Їх виготовив фундатор фірми Breguet для Неополітанської королеви.
7. До Першої Світової війни, наручний годинник вважався тільки жіночим аксесуаром, але незабаром через свою зручність, вони були облюбовані і чоловічою частиною населення.

Високоточний атомний годинник, який робить помилку в одну секунду за 300 мільйонів років. Цей годинник, який замінив стару модель, яка припускалася помилки в одну секунду за сто мільйонів років, тепер задає стандарт американського громадянського часу. «Лента.ру» вирішила згадати історію створення атомного годинника.

Перший атом

Для того, щоб створити годинник, достатньо використовувати будь-який періодичний процес. І історія появи приладів вимірювання часу - це частково історія появи нових джерел енергії, або нових коливальних систем, що використовуються в годинах. Найпростішим годинником є, ймовірно, сонячний: для їхньої роботи необхідно тільки Сонце і предмет, який відкидає тінь. Недоліки цього визначення часу очевидні. Водяний і пісочний годинник теж не кращий: він придатний лише для вимірювання порівняно коротких проміжків часу.

Найдавніший механічний годинник був знайдений в 1901 році поряд з островом Антикитера на затонулому кораблі в Егейському морі. Вони містять близько 30 бронзових шестерень у дерев'яному корпусі розміром 33 на 18 на 10 сантиметрів і датуються приблизно роком до нашої ери.

Протягом майже двох тисяч років механічний годинник був найточнішим і надійнішим. Поява в 1657 році класичної праці Християна Гюйгенса «Маятниковий годинник» з описом пристрою відліку часу з маятником в якості коливальної системи, стала, ймовірно, апогеї. такого типу.

Однак астрономи та мореплавці все одно використовували зоряне небо та карти для визначення свого місця розташування та точного часу. Перший же електричний годинник винайшов у 1814 році Френсіс Роналдс. Однак перший такий прилад був неточним через чутливість до змін температури.

Подальша історія годинника пов'язана з використанням у пристроях різних коливальних систем. Представлені в 1927 році співробітниками Лабораторій Белла кварцовий годинник використовували п'єзоелектричні властивості кристала кварцу: при впливі на нього електричного струму кристал починає стискатися. Сучасні хронометри кварцові можуть забезпечити точність до 0,3 секунди на місяць. Однак, оскільки кварц схильний до старіння, з часом годинник починає йти з меншою точністю.

З розвитком атомної фізики вчені запропонували використовувати як коливальні системи саме частинки речовини. Так з'явився перший атомний годинник. Ідею про можливість використання атомних коливань водню для виміру часу запропонував ще в 1879 році англійський фізик лорд Кельвін, проте лише до середини XX століття це стало можливим.

Репродукція картини Губерта фон Геркомера (1907)

У 1930-х роках американський фізик і першовідкривач ядерного магнітного резонансу Ісідор Рабі почав працювати над атомним годинником з цезієм-133, проте початок війни завадив йому. Вже після війни в 1949 році в Національному комітеті стандартів США за участю Гарольда Лайонсона було створено перший молекулярний годинник, який використовує молекули аміаку. Але перші такі прилади вимірювання часу не були точними, як сучасний атомний годинник.

Відносно мала точність була пов'язана з тим, що через взаємодію молекул аміаку між собою та зі стінками ємності, в якій знаходилася ця речовина, змінювалася енергія молекул, та їх спектральні лінії поширювалися. Цей ефект дуже схожий на тертя в механічному годиннику.

Пізніше, в 1955 році, Луї Есссен з Національної фізичної лабораторії Великобританії представив перший атомний годинник на цезії-133. Цей годинник накопичував помилку в одну секунду за мільйон років. Прилад отримав назву NBS-1 і став вважатися цезієвим стандартом частоти.

Принципова схема атомного годинника складається з кварцового генератора, контрольованого дискримінатором за схемою зворотного зв'язку. У генераторі використовуються п'єзоелектричні властивості кварцу, тоді як у дискримінаторі відбуваються енергетичні коливання атомів, тому коливання кварцу відстежуються сигналами від переходів з різних енергетичних рівнів в атомах або молекулах. Між генератором і дискримінатором знаходиться компенсатор, налаштований частоту атомних коливань і порівнює її з частотою коливань кристала.

Атоми, що використовуються в годиннику, повинні забезпечувати стабільні коливання. Для кожної частоти електромагнітного випромінювання є свої атоми: кальцію, стронцію, рубідії, цезію, водню. Або навіть молекули аміаку та йоду.

Еталон часу

З появою атомних приладів вимірювання часу стало можливим використовувати їх як універсальний зразок для визначення секунди. З 1884 року Грінвічський час, який вважався світовим стандартом, поступився місцем еталону атомного годинника. У 1967 році рішенням 12-ї Генеральної конференції заходів і терезів одну секунду визначили як тривалість 9192631770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133. Таке визначення секунди не залежить від астрономічних параметрів і може відтворюватись у будь-якій точці планети. Цезій-133, що використовується в еталоні атомного годинника, - єдиний стабільний ізотоп цезію зі 100-відсотковою поширеністю на Землі.

Атомний годинник використовується і в супутниковій системі навігації; вони необхідні визначення точного часу та координат супутника. Так, у кожному супутнику системи GPS встановлені по чотири комплекти таких годинників: два рубідієві і два цезієві, які забезпечують точність передачі сигналу в 50 наносекунд. На російських супутниках системи ГЛОНАСС теж встановлені цезієві і рубідієві атомні прилади вимірювання часу, а на супутниках європейської геопозиційної системи Galileo, що розгортається ─ водневі і рубідієві.

Точність водневого годинника - найвища. Вона становить 0,45 наносекунди за 12 годин. Очевидно, використання Galileo таких точних годин виведе цю навігаційну систему в лідери вже в 2015 році, коли на орбіті буде 18 її супутників.

Компактні атомні годинники

Hewlett-Packard стала першою компанією, яка зайнялася розробкою компактного атомного годинника. У 1964 році нею був створений цезієвий прилад HP 5060A розміром з велику валізу. Компанія й надалі розвивала цей напрямок, але з 2005 року продала свій підрозділ, який розробляє атомний годинник компанії Symmetricom.

У 2011 році фахівці Лабораторії Дрейпера і Сандійських національних лабораторій розробили, а компанія Symmetricom випустила перший мініатюрний атомний годинник Quantum. На момент випуску вони коштували близько 15 тисяч доларів, ув'язнені в герметичний корпус розміром 40 на 35 на 11 міліметрів і важили 35 грамів. Споживана потужність годинника становила менше 120 мл. Спочатку вони були розроблені на замовлення Пентагону і призначалися для обслуговування навігаційних систем, що функціонують незалежно від GPS, наприклад, глибоко під водою або землею.

Вже наприкінці 2013 року американська компанія Bathys Hawaii представила перший «наручний» атомний годинник. Як основний компонент у них використовується чіп SA.45s виробництва компанії Symmetricom. Усередині чіпа розташовується капсула з цезієм-133. У конструкцію годинника також входять фотоелементи та малопотужний лазер. Останній забезпечує нагрівання газоподібного цезію, внаслідок чого його атоми починають переходити з одного енергетичного рівня на інший. Вимірювання часу таки проводиться за рахунок фіксування такого переходу. Вартість нового приладу складає близько 12 тисяч доларів.

Тенденції до мініатюризації, автономності та точності призведуть до того, що вже в недалекому майбутньому з'являться нові пристрої з використанням атомних годинників у всіх сферах людського життя, починаючи з космічних досліджень на орбітальних супутниках та станціях до побутового застосування у кімнатних та наручних системах.

Новий поштовх у розвитку пристроїв для вимірювання часу було дано фізиками-атомниками.

У 1949-му був побудований перший атомний годинник, де як джерело коливань виступив не маятник і не кварцовий генератор, а сигнали, пов'язані з квантовим переходом електрона між двома енергетичними рівнями атома.

На практиці такий годинник виявився не дуже точним, до того ж громіздким і дорогим і широкого поширення не набув. Тоді було вирішено звернутися до хімічного елемента – цезію. І в 1955-му з'явився перший атомний годинник на основі атомів цезію.

У 1967 року було вирішено перейти на атомний стандарт часу, тому що обертання Землі сповільнюється і величина цього уповільнення - непостійна. Це значно ускладнювало роботу астрономів та зберігачів Часу.

В даний час Земля обертається із уповільненням приблизно на 2 мілісекунди за 100 років.

Коливання тривалості доби також досягають тисячних часток секунди. Тому точність Грінвічського середнього часу (загальноприйнятого з 1884 світового еталона)стала недостатньою. 1967-го відбувся перехід до атомного еталону часу.

Сьогодні секунда - це проміжок часу, точно рівний 9192631770 періодів випромінювання, який відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома Цезія 133.

На сьогоднішній момент як шкала часу використовується Всесвітній Координований Час. Воно формується Міжнародним бюро заходів та терезів шляхом об'єднання даних лабораторій зберігання часу різних країн, а також даних Міжнародної служби обертання Землі. Його точність майже в мільйон разів вища, ніж астрономічний Грінвічський середній час.

Розроблено технологію, яка дозволить кардинально зменшити розміри та вартість надточних атомних годинників, що дасть можливість широко використовувати їх у мобільних пристроях різного призначення. Вчені змогли створити атомний зразок часу надмалих розмірів. Такий атомний годинник споживає менше 0,075 Вт і має похибку не більше однієї секунди за 300 років.

Дослідницькій групі США вдалося створити надкомпактний атомний стандарт. Стало можливим живити атомний годинник від звичайних пальчикових батарейок. Надточний атомний годинник, що зазвичай має, як мінімум, метр у висоту, вдалося розмістити в об'ємі 1,5х1,5х4 мм.

У США розробили експериментальний атомний годинник на одному іоні ртуті. Вони в п'ять разів точніші за цезієві, які прийняті як міжнародний стандарт. Цезієвий годинник настільки точний, що розбіжність в одну секунду буде досягнуто лише через 70 мільйонів років, а для ртутного годинника цей термін складе 400 мільйонів років.

У 1982 році в суперечку між астрономічним визначенням еталона Часу і атомним годинником, що переміг його, втрутився новий астрономічний об'єкт - мілісекундний пульсар. Ці сигнали по стабільності не поступаються кращим атомним годинникам.

Чи знаєте ви?

Перший годинник на Русі

У 1412 році в Москві був поставлений годинник на дворі великого князя за церквою Благовіщення, а робив їх Лазар, чернець-серб, який прийшов із Сербської землі. На жаль, опис цих перших на Русі годинників не зберігся.

Як з'явився годинник-курант на Спаській вежі московського Кремля?

У 17 столітті англієць Христофор Галовей виготовив куранти для Спаської вежі: вартове коло було розбите на 17 секторів, єдина стрілка годинника була нерухома, спрямована вниз і показувала на якусь цифру циферблата, зате сам циферблат обертався.