Атомные часы и как они представляют время?

Столетиями человечество вело учет времени, полагаясь на периоды вращения нашей планеты. Замедление и неравномерность оборотов побудили его к поиску новых способов отслеживания времени. Так, сначала появились самые простые часы — солнечные, затем песочные, маятниковые, водяные, а в начале VIII века — механические. И лишь спустя более тысячи лет, в 1952 году изобрели электронные и кварцевые.

Кристаллы кварца и атомы цезия в часовых механизмах

Идею создания сверхточного хронометра на основе колебания частиц водорода в 1879 году предложил английский физик Уильям Томсон. Но реализовать этот замысел на практике и изобрести первые атомные часы с использованием частиц цезия-133 удалось лишь в 1955 году британцу Луи Эссену.

Устройство размером c большой холодильник получило название NBS-1, а показания работы его механизма легли в основу определения секунды в пределах международной системы единиц измерения СИ. С тех пор секунда — это промежуток времени, за который атом цезия-133 (Cs-133) под воздействием микроволн совершает 9 192 631 770 энергетических переходов.

Любой часовой механизм, способный измерять секунды, имеет два компонента:

• физическое действие, которое может повторяться неизменное количество раз в секунду;
• счетчик, который фиксирует необходимое количество действий и передает сигнал об истечении временного периода.

К примеру, в кварцевых часах физические действия происходят в кристалле кварца установленного размера. Сжимаясь и разжимаясь под воздействием электрического тока с конкретной частотой в 32 768 Гц, кристалл совершает необходимое количество колебаний, которое фиксирует счетчик и подает сигнал для поворота стрелки ровно на 1 секунду.

В атомных часах все происходит немного по-иному: электроны в атомах под воздействием микроволнового поля изменяют уровень энергии, а счетчик фиксирует количество таких энергетических переходов в единицу времени. Принцип в целом тот же, но вот точность совсем другая:

• погрешность кварцевых часов составляет ±15 секунд в месяц;
• цезиевые атомные часы искажают время на 1 секунду в 138 млн лет.

Как сверхточные часы отмеряют время?

Устройство для измерения длительности секунды в атомном механизме включает:

• вакуумную камеру;
• кварцевый генератор, образующий микроволны;
• детектор, регулирующий частоту генератора;
• несколько тоннелей для атомов цезия;
• хлорид цезия (дискриминатор);
• магнитный фильтр.

Перед тем, как пройти в тоннели, хлорид цезия подлежит нагреву. В результате нагревания образуется газовый поток с ионами цезия для прохода через магнитный фильтр. Магнитное поле выделяет атомы с низким количеством энергии и направляет их дальше в камеру, где под воздействием микроволн кварцевого генератора они начнут менять энергетическое состояние с частотой 9 192 631 770 циклов в секунду.

Если количество измененных атомов цезия достигает максимума, то детектор сигнализирует, что частота микроволнового поля кварцевого генератора подобрана правильно. В том случае, если их количество, фиксируемое детектором, не достигает максимума, то кварцевый генератор регулирует частоту до 9 192 631 770 Гц.

Чтобы цикл повторялся непрерывно, кварцевому генератору необходимо электричество. В механизме его производит детектор из высокоэнергетических атомов.

Благодаря замкнутому кругу всех процессов и уникальным свойствам цезия, наименьшие частицы которого не изнашиваются, совершая немыслимое количество переходов с одного энергетического уровня на другой за одну лишь секунду, механизм, созданный на его основе, до сих пор остается самым точным и стабильным на нашей планете.

С момента изобретения первых атомных часов, многие экспериментировали с их дискриминатором, подбирая атомы других элементов в попытках его усовершенствования. Однако пришли к выводу, что использовать можно лишь те, которые не чувствительны к внешним магнитным и электрическим воздействиям.

Среди наиболее подходящих для такой роли:

• атомы цезия, кальция, стронция, рубидия;
• молекулы метана, водорода, йода и оксида осмия.

В 2006 году команда американских исследователей под руководством Джима Бергквиста представила обществу часы, работающие на атоме ртути. Во время энергетических переходов ионов ртути происходит образование фотонов видимого диапазона, стабильность которых в 5 раз выше, чем при излучении цезия.

Спустя еще 4 года, в 2010, физикам американского института NIST удалось запустить квантово-логические часы, работающие на дублетах ртути. В качестве генератора в них используется не излучение кварцевого генератора, а лазерный свет ультрафиолетового диапазона, который приводит атомы ртути к квантовым изменениям. Погрешность такого механизма составляет 1 секунду в 15 млрд лет.

2013 год в сфере технологий ознаменовался выходом первых наручных атомных часов производства Bathys Hawaii. В основе их работы лежит разработка атомного чипа американской компанией Symmetricom. Их погрешность составляет 1 секунду в тысячу лет.

В 2017 году ученым из NIST удалось использовать в часах трехмерную решетку, состоящую из трех тысяч атомов стронция. Исследования показали, что при увеличении количества наименьших частиц в решетке увеличивается и точность времени. Но, несмотря на эти новейшие разработки, цезиевые атомные часы с кварцевым генератором внутри и по сей день остаются основой для измерения времени.

Для чего нужны атомные часы?

Более стабильного механизма, чем атомный, в современном мире технологий не существует. Даже всем известная точность швейцарских часов без малейших сомнений им уступает.

Ввиду того, что на колебание атомных частиц не влияют ни температурные показатели, ни влажность, ни вибрации, ни многие другие условия внешней среды, атомные механизмы стали незаменимыми помощниками человека во многих сферах деятельности:

• они отвечают за точность времени, получаемого с базовых станций мобильной связи и других сервисов для часовой синхронизации;
• только благодаря атомным часам возможна работа навигационной системы GPS, которая определяет расстояние по времени, необходимому для приема сигнала с орбиты;
• с их помощью определяют местонахождение спутников, ракет, космических кораблей, подводных лодок и самолетов.

Исследования космоса просто немыслимо без точного хронометра. Большинство современных космических станций для навигации использует взаимодействие наземных антенн с атомными часами. Антенны посылают специфический сигнал на космический корабль, который его возвращает обратно. Временной диапазон между отправлением и получением сигнала служит для определения расположения, скорости и траектории космического аппарата. Поскольку сигнал передается со скоростью света, для точности полученных данных важно учитывать разницу во времени до наносекунд.

Для обеспечения точным бортовым хронометром своих будущих миссий NASA в данное время тестирует новую разработку — атомные часы для использования в глубоком космосе (DSAC). На борту они помогут космонавтам самостоятельно отслеживать свое расположение, не теряя время на двусторонние сигналы с Землей в ожидании ответа об их результате. Космическому кораблю с DSAC на борту достаточно будет одностороннего сигнала с наземной станции.

Отдельно взятому человеку нет особой надобности в такой высокой точности для использования в быту. Ведь учитывая даже самую большую длительность человеческой жизни, погрешность таких часов будет равна почти нулю, а стоимость часов достигает более 10 тысяч долларов.

Для тех, кому все же важна точность атомного механизма, производители часов разработали модели с радиосинхронизацией. В них встроена антенна, способная принимать сигналы с шести радиостанций, расположенных в Северной Америке и Евразии, а они, в свою очередь, синхронизируются со временем UTC (по Гринвичу), точность которого контролируется атомными часами.