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.
Новый толчок в развитии устройств для измерения времени был дан физиками-атомщиками.
В 1949-м были построены первые атомные часы, где в качестве источника колебаний выступил не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома.
На практике такие часы оказались не очень точны, к тому же громоздки и дороги и широкого распространения не получили. Тогда было решено обратиться к химическому элементу - цезию. И в 1955-м появились первые атомные часы на основе атомов цезия.
В 1967 году было решено перейти на атомный эталон времени, т. к. вращение Земли замедляется и величина этого замедления - непостоянна. Это значительно затрудняло работу астрономов и хранителей Времени.
В настоящее время Земля вращается с замедлением примерно на 2 миллисекунды за 100 лет.
Колебания длительности суток также достигают тысячных долей секунды. Поэтому точность Гринвичского среднего времени (общепринятого с 1884 года мирового эталона)стала недостаточной. В 1967-м состоялся переход к атомному эталону времени.
Сегодня секунда - это промежуток времени, точно равный 9 192 631 770 периодам излучения, который соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия 133.
На сегодняшний момент в качестве шкалы времени используется Всемирное Координированное Время. Оно формируется Международным бюро мер и весов путем объединения данных лабораторий хранения времени различных стран, а также данных Международной службы вращения Земли. Его точность почти в миллион раз выше, чем астрономическое Гринвичское среднее время.
Разработана технология, которая позволит кардинально уменьшить размеры и стоимость сверхточных атомных часов, что даст возможность широко использовать их в мобильных устройствах самого различного назначения. Ученые смогли создать атомный эталон времени сверхмалых размеров. Такие атомные часы потребляют менее 0,075 Вт и обладают погрешностью не более одной секунды за 300 лет.
Исследовательской группе США удалось создать сверхкомпактный атомный эталон. Стало возможным питать атомные часы от обычных пальчиковых батареек. Сверхточные атомные часы, обычно имеющие, как минимум, метр в высоту, удалось разместить в объеме 1,5х1,5х4 мм
В США разработали экспериментальные атомные часы на одном ионе ртути. Они в пять раз точнее цезиевых, которые приняты в качестве международного стандарта. Цезиевые часы настолько точны, что расхождение в одну секунду будет достигнуто только через 70 миллионов лет, а для ртутных часов этот срок составит 400 миллионов лет.
В 1982 году в спор между астрономическим определением эталона Времени и победившими его атомными часами вмешался новый астрономический объект - миллисекундный пульсар. Эти сигналы по стабильности не уступают лучшим атомным часам
Знаете ли вы?
Первые часы на Руси
В 1412 году в Москве были поставлены часы на дворе великого князя за церковью Благовещения, а делал их Лазарь, монах-серб, который пришел из Сербской земли. К сожалению, описания этих первых на Руси часов не сохранилось.
________Как появились часы-куранты на Спасской башне московского Кремля?
В 17 веке англичанин Христофор Галовей изготовил куранты для Спасской башни: часовой круг был разбит на 17 секторов, единственная стрелка часов была неподвижна, направлена вниз и показывала на какую-либо цифру циферблата, зато сам циферблат вращался.
Часто мы слышим фразу, что атомные часы всегда показывают точное время. Но из их названия сложно понять, почему атомные часы самые точные или как они устроены.
То, что в названии есть слово «атомные» вовсе не означает, что часы представляют собой опасность для жизни, даже если в голову сразу же приходят мысли об атомной бомбе или атомной электростанции. В данном случае мы всего лишь говорим о принципе работы часов. Если в обычных механических часах колебательные движения совершают шестеренки и ведется подсчет их движений, то в атомных часах ведется подсчет колебаний электронов внутри атомов. Чтобы лучше понять принцип работы, вспомним физику элементарных частиц.
Все вещества в нашем мире состоят из атомов. Атомы же состоят из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны объединяются друг с другом в ядро, которое также называют нуклоном. Вокруг ядра движутся электроны, которые могут находиться на разных энергетических уровнях. Самое интересное, что при поглощении или отдаче энергии, электрон может переходить со своего энергетического уровня на более высокий или низкий. Электрон может получать энергию из электромагнитного излучения, при каждом переходе поглощая или испуская электромагнитное излучение определенной частоты.
Чаще всего встречаются часы, в которых для изменения используют атомы элемента Цезий -133. Если за 1 секунду маятник обычных часов совершает 1 колебательное движение, то электроны в атомных часах на основе Цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9192631770 Гц. Получается, именно на такое количество промежутков делится одна секунда, если её рассчитывать в атомных часах. Эта величина была официально принята международным сообществом в 1967 году. Представьте огромный циферблат, где находится не 60, а 9192631770 делений, которые составляют всего 1 секунду. Неудивительно, что атомные часы такие точные и обладают целым рядом преимуществ: атомы не подвержены старению, не изнашиваются, а частота колебания будет всегда одинаковой для одного химического элемента, благодаря чему можно синхронно сравнивать, например, показания атомных часов далеко в космосе и на Земле, не боясь погрешностей.
Благодаря атомным часам человечество на практике смогло проверить правильность теории относительности и удостовериться, что , чем на Земле. Атомные часы установлены на многих спутниках и космических аппаратах, они используются для телекоммуникационных нужд, для мобильной связи, по ним сравнивают точное время на всей планете. Без преувеличения, именно благодаря изобретению атомных часов человечество смогло войти в эпоху высоких технологий.
Как работают атомные часы?
Цезий-133 нагревают, выпаривая атомы цезия, которые проходит через магнитное поле, где отбираются атомы с нужным энергетическим состояниям.
Затем отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к 9192631770 Гц, которое создает кварцевый генератор. Под воздействием поля атомы цезия снова меняют энергетические состояния, и попадают на детектор, который фиксирует, когда наибольшее количество попадающих атомов будет обладать «правильным» энергетическим состоянием. Максимальное количество атомов с измененным энергетическим состоянием говорит о том, что частота микроволнового поля подобрана верно, и затем её значение подается в электронное устройство – делитель частоты, который, уменьшая частоту в целое число раз, получает число 1, которое и является эталонной секундой.
Таким образом, атомы цезия используются для проверки правильности частоты магнитного поля, создаваемой кварцевым генератором, помогая поддерживать ее в постоянном значении.
Это интересно: хотя существующие на сегодняшний момент атомные часы беспрецедентно точно и могут миллионы лет идти без погрешностей, физики не собираются останавливаться на достигнутом. Используя атомы различных химических элементов, они постоянно работают над повышением точности атомных часов. Из последних изобретений – атомные часы на стронции , которые в три раза точнее их цезиевого аналога. Чтобы отстать всего на секунду им потребуется 15 млрд. лет – время, превышающее возраст нашей Вселенной…
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Атомные часы January 27th, 2016
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
Атомные или как их ещё называют «квантовые часы» - это устройство, которое измеряет время, используя для этого собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул. Ричард Хоптроф (Richard Hoptroff) решил, что современным джентльменам, которые проявляют интерес к сверхтехнологичным устройствам, пора бы сменить свои карманные механические часы на нечто более экстравагантное и неординарное, а также отвечающее современным урбанистическим тенденциям.
Так, публике были продемонстрированы элегантные по своему внешнему виду карманные атомные часы Hoptroff No. 10, которые могут удивить современное искушённое обилием гаджетов поколение не только своим ретро-стилем и фантастической точностью хода, но и сроком эксплуатации. По заявлению разработчиков, имея при себе эти часы, вы сможете оставаться самым пунктуальным человеком на протяжении не менее 5 млрд лет.
Что еще можно узнать о них интересного …
Фото 2.
Для всех тех, кто никогда не интересовался подобными часами, стоит вкратце рассказать принцип их действия. Внутри «атомного устройства» нет ничего, что напоминало бы классические механические часы. В Hoptroff No. 10 отсутствуют механические детали как таковые. Вместо этого карманные атомные часы оснащаются герметичной камерой, заполненной радиоактивным газообразным веществом, температура которого находится под контролем специальной печи. Точный отсчёт времени происходит следующим образом: лазеры возбуждают атомы химического элемента, являющегося своего рода «наполнителем» часов, а резонатор фиксирует и измеряет каждый атомный переход. Сегодня базовым элементом подобных устройств является цезий. Если вспомнить систему единиц СИ, то в ней значение секунды связно с количеством периодов электромагнитного излучения при переходе атомов цезия-133 с одного на другой энергетический уровень.
Фото 3.
Если в смартфонах сердцем устройства считается процессорный чип, то в Hoptroff No. 10 данную роль берёт на себя модуль-генератор эталонного времени. Его поставкой занимается фирма Symmetricom, а сам чип изначально был ориентирован на использование в военной отрасли - в беспилотных летательных аппаратах.
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.
Фото 4.
Функциональная сторона устройства также на грани фантастики. С его помощью можно узнать: время, дату, день недели, год, широту и долготу в разных величинах, давление, влажность, звездные часы и минуты, прогноз приливов и многие другие показатели. Часы поставляются в золотом исполнении, а для создания их корпуса из драгоценного металла планируется использовать трехмерную печать.
Ричард Хоптроф искреннее полагает, что именно данный вариант производства своего детища является наиболее предпочтительным. Чтобы немного изменить дизайнерскую составляющую конструкции, вовсе не нужно будет перестраивать производственную линию, а использовать для этого функциональную гибкость печатающего 3D-устройства. Правда, стоит отметить, что показанный прототип часов был изготовлен классическим способом.
Фото 5.
Время нынче стоит очень дорого, а карманные часы Hoptroff No. 10 - тому прямое подтверждение. По предварительной информации, первая партия атомных устройств составит 12 единиц, а что касается стоимости, то цена за 1 экземпляр будет составлять $78 000.
Фото 6.
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, 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 и в готовом виде
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.
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.
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.
Когда внезапно отключается свет и чуть позже появляется, как вы узнаете, какое время на часах нужно выставлять? Да, я про электронные часы, которые наверняка у многих из нас есть. Вы хотя бы раз задумывались о том, как регулируется время? В этой статье мы узнаем все об атомных часах и о том, как они заставляют весь мир тикать.
Атомные часы показывают время лучше любых других часов. Они показывают время лучше, чем вращение Земли и движение звезд. Без атомных часов GPS-навигация была бы невозможной, не был бы синхронизирован, а положение планет не было бы известно с достаточной точностью для космических зондов и аппаратов.
Атомные часы не радиоактивны. Они не полагаются на атомный распад. Более того, у них есть пружина, как и у обычных часов. Самое большое отличие стандартных часов от атомных в том, что колебания в атомных часах происходят в ядре атома между окружающими его электронами. Эти колебания сложно назвать параллелью балансовому колесику в заводных часах, однако оба типа колебания можно использовать для отслеживания уходящего времени. Частота колебаний внутри атома определяется массой ядра, гравитацией и электростатической «пружиной» между положительным зарядом ядра и облаком электронов вокруг него.
Какие типы атомных часов мы знаем?
Сегодня существуют различные типы атомных часов, однако построены они на одних и тех же принципах. Основное различие связано с элементом и средствами обнаружения изменений уровня энергии. Среди разных типов атомных часов существуют следующие:
- Цезиевые атомные часы, использующие пучки атомов цезия. Часы разделяют атомы цезия с разными энергетическими уровнями магнитным полем.
- Водородные атомные часы поддерживают атомы водорода на нужном энергетическом уровне в контейнере, стены которого сделаны из специального материала, поэтому атомы не теряют высокоэнергетическое состояние слишком быстро.
- Рубидиевые атомные часы, самые простые и компактные из всех, используют стеклянную ячейку с рубидиевыми газом.
Самые точные атомные часы сегодняшнего дня используют атом цезия и обычное магнитное поле с детекторами. Кроме того, атомы цезия сдерживаются лазерными лучами, что уменьшает небольшие изменения частоты из-за эффекта Доплера.
Как работают атомные часы на основе цезия?
У атомов есть характерная частота колебаний. Знакомый вам пример частоты - это оранжевое свечение натрия в поваренной соли, если ее бросить в огонь. У атома есть много разных частот, некоторые в радиодиапазоне, некоторые в диапазоне видимого спектра, а некоторые между этими двумя. Цезий-133 чаще всего выбирают для атомных часов.
Чтобы вызвать резонанс атомов цезия в атомных часах, нужно точно измерить один из переходов или резонансную частоту. Обычно это делается путем блокировки кварцевого генератора в основном микроволновом резонансе атома цезия. Этот сигнал находится в микроволновом диапазоне радиочастотного спектра и обладает той же частотой, что и сигналы спутников прямого вещания. Инженеры знают, как создать оборудование для этой области спектра, в мельчайших подробностях.
Чтобы создать часы, цезий сначала нагревают так, что атомы выпариваются и проходят через трубу с высоким вакуумом. Сначала они проходят через магнитное поле, которое выбирает атомы с нужным энергетическим состоянием; потом они проходят через интенсивное микроволновое поле. Частота микроволновой энергии скачет туда-сюда в узком диапазоне частот, так что в определенный момент она достигает частоты 9 192 631 770 герц (Гц, или циклов в секунду). Диапазон микроволнового генератора уже близок к этой частоте, поскольку ее производит точный кварцевый генератор. Когда атом цезия получает микроволновую энергию нужной частоты, он меняет свое энергетическое состояние.
В конце трубки другое магнитное поле отделяет атомы, которые изменили свое энергетическое состояние, если микроволновое поле было нужной частоты. Детектор в конце трубки дает выходной сигнал, пропорциональный количеству атомов цезия, которые в него попадают, и достигает пика, когда микроволновая частота достаточно верна. Этот пиковый сигнал нужен для корректировки, чтобы привести кварцевый генератор, а значит и микроволновое поле к нужной частоте. Эта заблокированная частота затем делится на 9 192 631 770, чтобы дать знакомый всем один импульс в секунду, нужный реальному миру.
Когда изобрели атомные часы?
В 1945 году профессор физики Колумбийского университета Исидор Раби предложил часы, которые можно сделать на основе техники, разработанной в 1930-х годах. Она называлась атомный пучок магнитного резонанса. К 1949 году Национальное бюро стандартов объявило о создании первых в мире атомных часов на основе молекулы аммиака, колебания которой и считывались, а к 1952 году - создала первые в мире атомные часы на основе атомов цезия, NBS-1.
В 1955 году Национальная физическая лаборатория в Англии построила первые часы на основе пучка цезия в качестве источника калибровки. В течение следующего десятилетия создавались более совершенные часы. В 1967 году в ходе 13 Генеральной конференции по мерам и весам была определена СИ секунды на основе вибраций в атоме цезия. В мировой системе хронометража не было точнее определения, чем это. NBS-4, самые стабильные в мире цезиевые часы, были завершены в 1968 году и использовались до 1990 года.
В 1999 году NBS, переименованная в NIST, начала работать с часами NIST-F1, точность которых допускала погрешность на одну секунду в 20 миллионов лет.
Как измеряется атомное время?
Правильная частота для резонанса частицы цезия сегодня определена международным соглашением и составляет 9 192 631 770 герц, поэтому при делении выходного сигнала на это число должен получаться 1 Гц, или 1 цикл в секунду.
Точность измерения времени в миллион раз по сравнению с астрономическими методами. На сегодняшний день теряет одну секунду в пять миллиардов лет.
