Атомний годинник і як вони представляють час?

Століттями людство вело облік часу, покладаючись на періоди обертання нашої планети. Уповільнення і нерівномірність обертання спонукали його до пошуку нових способів відстеження часу. Так, спочатку з'явилися найпростіші годинник - сонячні, потім пісочний, маятникові, водяні, а на початку VIII століття — механічні. І лише через понад тисячу років, в 1952 році винайшли електронні та кварцові.

Кристали кварцу і атоми цезію в годинникових механізмах

Ідею створення надточного хронометра на основі коливання частинок водню в 1879 році запропонував англійський фізик Вільям Томсон. Але реалізувати цей задум на практиці і винайти перший атомний годинник з використанням частинок цезію-133 вдалося лише в 1955 році британцеві Луї Ессен.

Пристрій розміром c великий холодильник отримало назву NBS-1, а показання роботи його механізму лягли в основу визначення секунди в межах міжнародної системи одиниць вимірювання СІ. З тих пір секунда - це проміжок часу, за який атом цезію-133 (Cs-133) під впливом мікрохвиль робить 9 192 631 770 енергетичних переходів.

Будь який годинниковий механізм, здатний вимірювати секунди, має два компоненти:

• фізична дія, яке може повторюватися незмінне кількість разів в секунду;
• лічильник, який фіксує необхідну кількість дій і передає сигнал про закінчення тимчасового періоду.

Наприклад, у кварцевих годинниках фізичні дії відбуваються в кристалі кварцу встановленого розміру. Стискаючись і розширюючись під впливом електричного струму з конкретною частотою в 32 768 Гц, кристал здійснює необхідну кількість коливань, яке фіксує лічильник і подає сигнал для повороту стрілки рівно на 1 секунду.

В атомних годинниках все відбувається трохи по-іншому: електрони в атомах під впливом мікрохвильового поля змінюють рівень енергії, а лічильник фіксує кількість таких енергетичних переходів в одиницю часу. Принцип в цілому той же, але ось точність зовсім інша:

• похибка кварцового годинника становить ± 15 секунд в місяць;
• цезієві атомний годинник спотворюють час на 1 секунду в 138 млн років.

Як надточний годинник відміряють час?

Пристрій для вимірювання тривалості секунди в атомному механізмі включає:

• вакуумну камеру;
• кварцевий генератор, який створює мікрохвилі;
• детектор, регулюючий частоту генератора;
• декілька тунелей для атомів цезія;
• хлорид цезія (дискримінатор);
• магнітний фільтр.

Перед тим, як пройти в тунелі, хлорид цезію підлягає нагріванню. В результаті нагрівання утворюється газовий потік з іонами цезію для проходу через магнітний фільтр. Магнітне поле виділяє атоми з низькою кількістю енергії і направляє їх далі в камеру, де під впливом мікрохвиль кварцового генератора вони почнуть змінювати енергетичний стан з частотою 9 192 631 770 циклів в секунду.

Якщо кількість змінених атомів цезію досягає максимуму, то детектор сигналізує, що частота мікрохвильового поля кварцового генератора підібрана правильно. У тому випадку, якщо їх кількість, що фіксується детектором, не досягає максимуму, то кварцовий генератор регулює частоту до 9 192 631 770 Гц.

Щоб цикл повторювався безперервно, кварцовим генератором необхідно електрику. У механізмі його виробляє детектор з високоенергетичних атомів.

Завдяки замкнутому колу всіх процесів і унікальним властивостям цезію, найменші частинки якого не зношуються, роблячи немислиму кількість переходів з одного енергетичного рівня на інший за одну лише секунду, механізм, створений на його основі, до сих пір залишається найточнішим і стабільним на нашій планеті.

З моменту винаходу перших атомних годин, багато експериментували з їх дискримінатором, підбираючи атоми інших елементів в спробах його удосконалення. Однак прийшли до висновку, що використовувати можна лише ті, які не чутливі до зовнішніх магнітним і електричним впливам.

Серед найбільш підходящих для такої ролі:

• атоми цезію, стронцію, рубідію;
• молекули метану, водню, йоду і оксиду осмію.

У 2006 році команда американських дослідників під керівництвом Джима Бергквіст представила суспільству годинник, що працюють на атомі ртуті. Під час енергетичних переходів іонів ртуті відбувається утворення фотонів видимого діапазону, стабільність яких в 5 разів вище, ніж при випромінюванні цезію.

Ще через 4 роки, в 2010, фізикам американського інституту NIST вдалося запустити квантово-логічні годинник, що працюють на дублетах ртуті. Як генератор в них використовується не випромінювання кварцового генератора, а лазерне світло ультрафіолетового діапазону, який призводить атоми ртуті до квантових змін. Похибка такого механізму складає 1 секунду в 15 млрд років.

2013 рік у сфері технологій ознаменувався виходом перших наручних атомного годинника виробництва Bathys Hawaii. В основі їх роботи лежить розробка атомного чіпа американською компанією Symmetricom. Їх похибка становить 1 секунду в тисячу років.

У 2017 році вченим з NIST вдалося використати в годиннику тривимірну грати, що складається з трьох тисяч атомів стронцію. Дослідження показали, що при збільшенні кількості найменших частинок в решітці збільшується і точність часу. Але, незважаючи на ці новітні розробки, цезієві атомний годинник з кварцовим генератором усередині і по сей день залишаються основою для вимірювання часу.

Для чого потрібні атомні годинники?

Більш стабільного механізму, ніж атомний, в сучасному світі технологій не існує. Навіть всім відома точність швейцарських годинників без найменших сумнівів їм поступається.

З огляду на те, що на коливання атомних частинок не впливають ні температурні показники, ні вологість, ні вібрації, ні багато інших умов зовнішнього середовища, атомні механізми стали незамінними помічниками людини в багатьох сферах діяльності:

• вони відповідають за точність часу, одержуваного з базових станцій мобільного зв'язку та інших сервісів для годинникової синхронізації;
• тільки завдяки атомним годинником можлива робота навігаційної системи GPS, яка визначає відстань за часом, необхідному для прийому сигналу з орбіти;
• з їх допомогою визначають місцезнаходження супутників, ракет, космічних кораблів, підводних човнів і літаків.

Дослідження космосу просто немислимо без точного хронометра. Більшість сучасних космічних станцій для навігації використовує взаємодію наземних антен з атомним годинником. Антени посилають специфічний сигнал на космічний корабель, який його повертає назад. Часовий діапазон між відправленням і отриманням сигналу служить для визначення розташування, швидкості і траєкторії космічного апарату. Оскільки сигнал передається зі швидкістю світла, для точності отриманих даних важливо враховувати різницю в часі до наносекунд.

Для забезпечення точним бортовим хронометром своїх майбутніх місій NASA в даний час тестує нову розробку - атомний годинник для використання в глибокому космосі (DSAC). На борту вони допоможуть космонавтам самостійно відстежувати своє розташування, не втрачаючи час на двосторонні сигнали з Землею в очікуванні відповіді про їх результат. Космічному кораблю з DSAC на борту достатньо буде одностороннього сигналу з наземної станції.

Окремо взятої людини немає особливої потреби в такій високій точності для використання в побуті. Адже з огляду на навіть найбільшу тривалість людського життя, похибка такого годинника буде дорівнює майже нулю, а вартість годинника сягає понад 10 тисяч доларів.

Для тих, кому все ж важлива точність атомного механізму, виробники годинників розробили моделі з радіосинхронізацією. У них вбудована антена, здатна приймати сигнали з шести радіостанцій, розташованих в Північній Америці і Євразії, а вони, в свою чергу, синхронізуються з часом UTC (за Гринвічем), точність якого контролюється атомним годинником.