Минулого, 2012 року, виповнилося сорок п'ять років із того моменту, коли людство вирішило використовувати атомне хронометрування для максимально точного виміру часу. У 1967 році у Міжнародній категорії часу перестала визначатися астрономічними шкалами - на зміну їм прийшов цезієвий стандарт частоти. Саме він і отримав популярну нині назву - атомний годинник. Точний час, який вони дозволяють визначити, має незначну похибку в одну секунду за три мільйони років, що дозволяє використовувати їх у ролі стандарту часу у будь-якому куточку світу.
Трохи історії
Сама ідея використати коливання атомів для надточного виміру часу вперше була висловлена ще 1879 року британським фізиком Вільямом Томсоном. У ролі випромінювача атомів-резонаторів цей вчений пропонував застосувати водень. Перші спроби реалізувати ідею практично робилися лише 40-х гг. ХХ століття. А перший у світі працюючий атомний годинник з'явився в 1955 році у Великій Британії. Їхнім творцем став британський фізик-експериментатор доктор Луї Ессен. Працювали цей годинник на основі коливань атомів цезію-133 і завдяки ним вчені нарешті змогли вимірювати час із набагато більшою точністю, ніж було до цього. Перший прилад Ессена допускав похибку не більше секунди на кожні сто років, проте згодом багаторазово збільшилася і похибка за секунду може набігти лише за 2-3 сотні мільйонів років.
Атомний годинник: принцип роботи
Як же працює цей хитромудрий «пристрій»? Як генератор резонансної частоти атомний годинник застосовують молекул або атомів на квантовому рівні. встановлює зв'язок системи «атомне ядро – електрони» з кількома дискретними енергетичними рівнями. Якщо таку систему впливатиме із строго заданої частотою, то відбудеться перехід цієї системи з низького рівня високий. Можливий і зворотний процес: перехід атома з вищого рівня на низький, супроводжуваний випромінюванням енергії. Ці явища можна контролювати і фіксувати всі енергетичні стрибки, створивши щось на кшталт коливального контуру (його називають атомним осцилятором). Його резонансна частота відповідатиме різниці енергій сусідніх рівнів переходу атомів, розділеній на константу Планка.
Такий коливальний контур має незаперечні переваги порівняно зі своїми механічними та астрономічними попередниками. Для одного такого атомного осцилятора резонансна частота атомів будь-якої речовини буде однакова, чого не можна сказати про маятники і п'єзокристали. До того ж атоми не змінюють з часом своїх властивостей і не зношуються. Тому атомний годинник є надзвичайно точним і практично вічним хронометром.
Точний час та сучасні технології
Телекомунікаційні мережі, супутниковий зв'язок, GPS, NTP-сервера, електронні транзакції на біржі, інтернет-аукціони, процедура купівлі квитків через інтернет – всі ці та багато інших явищ давно вже міцно увійшли до нашого життя. Адже якби людство не винайшло атомного годинника, всього б цього просто не було. Точний час, синхронізація з яким дозволяє мінімізувати будь-які помилки, затримки і запізнення, дає можливість людині максимально повно використовувати цей безцінний непоправний ресурс, якого ніколи не буває занадто багато.
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.
Часто ми чуємо фразу, що атомний годинник завжди показує точний час. Але з їхньої назви складно зрозуміти, чому атомний годинник найточніший або як він влаштований.
Те, що в назві є слово «атомні» зовсім не означає, що годинник є небезпекою для життя, навіть якщо в голову відразу ж приходять думки про атомну бомбу або атомну електростанцію. У даному випадку ми лише говоримо про принцип роботи годинника. Якщо в звичайних механічних годинниках коливальні рухи здійснюють шестерні і ведеться підрахунок їх рухів, то в атомному годиннику ведеться підрахунок коливань електронів усередині атомів. Щоб краще зрозуміти принцип роботи, згадаймо фізику елементарних частинок.
Усі речовини у світі складаються з атомів. Атоми складаються з протонів, нейтронів і електронів. Протони і нейтрони поєднуються один з одним у ядро, яке також називають нуклоном. Навколо ядра рухаються електрони, які можуть бути на різних енергетичних рівнях. Найцікавіше, що при поглинанні чи віддачі енергії, електрон може переходити зі свого енергетичного рівня більш високий чи низький. Електрон може отримувати енергію з електромагнітного випромінювання, при кожному переході поглинаючи або випромінюючи електромагнітне випромінювання певної частоти.
Найчастіше зустрічається годинник, в якому для зміни використовують атоми елемента Цезій -133. Якщо за 1 секунду маятник звичайних годинздійснює 1 коливальний рух, то електрони в атомному годинникуна основі Цезію-133 при переході з одного енергетичного рівня на інший випромінюють електромагнітне випромінювання з частотою 9192631770 Гц. Виходить, саме на таку кількість проміжків ділиться одна секунда, якщо її розраховувати в атомному годиннику. Ця величина була офіційно прийнята міжнародним співтовариством у 1967 році. Уявіть величезний циферблат, де знаходиться не 60, а 91 926 317 70 поділів, які становлять всього 1 секунду. Не дивно, що атомний годинник такий точний і має цілу низку переваг: атоми не схильні до старіння, не зношуються, а частота коливання буде завжди однаковою для одного хімічного елемента, завдяки чому можна синхронно порівнювати, наприклад, показання атомного годинника далеко в космосі і на Землі, не боячись похибок.
Завдяки атомним годинникам людство практично змогло перевірити правильність теорії відносності і переконатися, що , ніж Землі. Атомний годинник встановлений на багатьох супутниках і космічних апаратах, він використовується для телекомунікаційних потреб, для мобільного зв'язку, по ньому порівнюють точний час на всій планеті. Без перебільшення, саме завдяки винаходу атомного годинника людство змогло увійти в епоху високих технологій.
Як працює атомний годинник?
Цезій-133 нагрівають, випаровуючи атоми цезію, що проходить через магнітне поле, де відбираються атоми з потрібним енергетичним станом.
Потім відібрані атоми проходять через магнітне поле з частотою близькою до 9192631770 Гц, яке створює кварцовий генератор. Під впливом поля атоми цезію знову змінюють енергетичні стани, і потрапляють на детектор, який фіксує, коли найбільша кількість атомів, що потрапляють, матиме «правильний» енергетичний стан. Максимальна кількість атомів зі зміненим енергетичним станом говорить про те, що частота мікрохвильового поля підібрана правильно, і потім її значення подається в електронний пристрій - дільник частоти, який, зменшуючи частоту в ціле число разів, отримує число 1, яке є еталонною секундою.
Таким чином, атоми цезію використовуються для перевірки правильності частоти магнітного поля, що створюється кварцовим генератором, допомагаючи підтримувати її у постійному значенні.
Це цікаво: хоча існуючі на сьогоднішній момент атомний годинник безпрецедентно точно і можуть мільйони років йти без похибок, фізики не збираються зупинятися на досягнутому. Використовуючи атоми різних хімічних елементів, вони працюють над підвищенням точності атомних годин. З останніх винаходів - атомний годинник на стронції, які в три рази точніше за їх цезієвий аналог. Щоб відстати всього на секунду їм знадобиться 15 млрд. років – час, що перевищує вік нашого Всесвіту.
Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.
Атомний годинник January 27th, 2016
Батьківщиною першого у світі кишенькових годинників із вбудованим атомним стандартом часу стане не Швейцарія і навіть не Японія. Ідея їх створення зародилася у самому серці Великобританії у лондонської марки Hoptroff
Атомний або як його ще називають «квантовий годинник» - це пристрій, який вимірює час, використовуючи для цього власні коливання, пов'язані з процесами, що відбуваються на рівні атомів або молекул. Річард Хоптроф (Richard Hoptroff) вирішив, що сучасним джентльменам, які виявляють інтерес до надтехнологічних пристроїв, настав час змінити свій кишеньковий механічний годинник на щось більш екстравагантне і неординарне, а також що відповідає сучасним урбаністичним тенденціям.
Так, публіці був продемонстрований елегантний за своїм зовнішнім виглядом кишеньковий атомний годинник Hoptroff No. 10, які можуть здивувати сучасне досвідчене великою кількістю гаджетів покоління не лише своїм ретро-стилем та фантастичною точністю ходу, але й терміном експлуатації. За заявою розробників, маючи при собі цей годинник, ви зможете залишатися пунктуальною людиною протягом не менше 5 млрд років.
Що ще можна дізнатися про них…
Фото 2 
Для всіх тих, хто ніколи не цікавився подібним годинником, варто коротко розповісти принцип їхньої дії. Усередині «атомного пристрою» немає нічого, що нагадувало б класичний механічний годинник. У Hoptroff No. 10 відсутні механічні деталі як такі. Натомість кишеньковий атомний годинник оснащується герметичною камерою, заповненою радіоактивною газоподібною речовиною, температура якої знаходиться під контролем спеціальної печі. Точний відлік часу відбувається так: лазери збуджують атоми хімічного елемента, що є свого роду «наповнювачем» годинника, а резонатор фіксує і вимірює кожен атомний перехід. Сьогодні базовим елементом таких пристроїв є цезій. Якщо згадати систему одиниць СІ, то в ній значення секунди пов'язане з кількістю періодів електромагнітного випромінювання при переході атомів цезію-133 з одного на інший енергетичний рівень.
Фото 3 
Якщо в смартфонах серцем пристрою вважається процесорний чіп, то Hoptroff No. 10 цю роль бере він модуль-генератор еталонного часу. Його постачанням займається фірма Symmetricom, а сам чіп спочатку був орієнтований на використання у військовій галузі – у безпілотних літальних апаратах.
Атомний годинник CSAC має термостат з регулюванням температури, всередині якого міститься камера з парами цезію. Під впливом лазера на атоми цезію-133 починається їх перехід з одного енергетичного стану в інший, для вимірювання якого використовується НВЧ-резонатор. З 1967 року Міжнародна система одиниць (СІ) визначає одну секунду як 9192631770 періодів електромагнітного випромінювання, що виникає при переході між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133. Виходячи з цього, складно собі уявити точніші з технічної точки зору годинники на цезієвій основі. З часом, враховуючи останні досягнення в області вимірювання часу, точність нового оптичного годинника на базі іону алюмінію, що пульсує з частотою ультрафіолетового випромінювання (у 100 000 разів перевищує мікрохвильові частоти цезієвого годинника), у сотні разів перевищить точність атомних хронометрів. Висловлюючись доступною мовою, похибка ходу нової кишенькової моделі No.10 від Hoptroff становить 0,0015 секунд на рік, що в 2,4 мільйона разів перевищує стандарти COSC.
Фото 4 
Функціональний бік пристрою також на межі фантастики. З його допомогою можна дізнатися: час, дату, день тижня, рік, широту та довготу в різних величинах, тиск, вологість, зоряний годинник та хвилини, прогноз припливів та багато інших показників. Годинник поставляється в золотому виконанні, а для створення їх корпусу з дорогоцінного металу планується використовувати тривимірний друк.
Річард Хоптроф щиро вважає, що саме даний варіант виробництва свого дітища є найкращим. Щоб трохи змінити дизайнерську складову конструкції, зовсім не потрібно буде перебудовувати виробничу лінію, а використовувати для цього функціональну гнучкість друкуючого 3D-пристрою. Щоправда, варто відзначити, що показаний прототип годинника був виготовлений класичним способом.
Фото 5 
Час нині коштує дуже дорого, а кишеньковий годинник Hoptroff No. 10 - тому пряме підтвердження. За попередньою інформацією, перша партія атомних пристроїв становитиме 12 одиниць, а щодо вартості, то ціна за 1 екземпляр становитиме $78 000.
Фото 6 
За словами Річарда Хоптроффа, керуючого директора марки, лондонська прописка Hoptroff відіграла ключову роль у виникненні цієї ідеї. “У своїх кварцових механізмах ми використовуємо високоточну систему коливання з сигналом GPS. Але в центрі Лондона не так просто зловити цей сигнал. Якось під час поїздки до Грінвічської обсерваторії я побачив там атомний годинник Hewlett Packard і вирішив придбати собі щось подібне через Інтернет. І не зміг. Натомість мені на очі потрапила інформація про чіп компанії Symmetricon, і після трьох днів роздумів я зрозумів, що він чудово підійде для кишенькового годинника”.
Чіп, про який йдеться, є цезієвим атомним годинником SA.45s (CSAC), що належить до першого покоління мініатюрних атомних годинників для GPS-приймачів, ранцевих радіостанцій і безпілотних апаратів. Незважаючи на свої скромні габарити (40 мм х 34,75 мм), в наручний годинник він все ж таки навряд чи поміститься. Тому Хоптрофф вирішив оснастити ними кишенькову модель досить солідних розмірів (82 мм у діаметрі).
Крім звання найточнішого годинника у світі, Hoptroff No 10 (десятий за рахунком механізм марки) претендує також на перший золотий корпус, виготовлений з використанням технології 3D-друку. Хоптрофф поки що не може з точністю сказати, скільки золота знадобиться для виготовлення корпусу (робота над першим прототипом завершилася, коли номер уже пішов у друк), але передбачає, що його вартість становитиме "мінімум кілька тисяч фунтів". А враховуючи весь той обсяг наукових досліджень, які були потрібні для розробки продукту (взяти хоча б функцію розрахунку припливів і відливів за гармонічними постійними для 3 тис. різних портів), можна очікувати, що його кінцева роздрібна ціна становитиме близько 50 тис. фунтів стерлінгів.
Золотий корпус моделі No 10 на виході з 3D-принтера та у готовому вигляді
Покупці автоматично стають членами ексклюзивного клубу і повинні підписати письмове зобов'язання не використовувати чіп атомного годинника як зброю. "Це одна з умов нашого договору з постачальником, - пояснює пан Хоптрофф, - оскільки спочатку атомний чіп застосовувався в системах наведення ракет". Не так вже й багато за можливість отримати годинник з бездоганною точністю.
Щасливі власники No.10 від Hoptroff отримають у своє розпорядження набагато більше, ніж просто високоточний годинник. Модель також виконує функцію кишенькового навігаційного пристрою, що дозволяє визначити довготу з точністю до однієї морської милі, навіть після багаторічного перебування в морі за допомогою простого секстанта. Модель отримає два циферблати, проте дизайн одного з них поки що тримається в секреті. Інший же є круговерть лічильників, що відображають цілих 28 ускладнень: від усіх можливих хронометричних функцій і покажчиків календаря до компаса, термометра, гігрометра (приладу для вимірювання рівня вологості), барометра, лічильників широти і довготи та індикатора часу припливу/відливу. І це не кажучи вже про життєво важливі індикатори стану атомного термостата.
У Hoptroff у планах виробництво ряду нових продуктів, серед яких електронна версія легендарного ускладненого годинника Space Traveller Джорджа Деніелса. Зараз над ними ведеться робота, мета якої - інтегрувати в годинник технологію Bluetooth для збереження особистої інформації власника та забезпечення автоматичного налаштування таких ускладнень, як індикатор фаз Місяця.
Коли раптово відключається світло і трохи згодом з'являється, як ви дізнаєтеся, який час на годиннику потрібно виставляти? Так, я про електронний годинник, який напевно у багатьох з нас є. Ви хоч раз замислювалися про те, як регулюється час? У цій статті ми дізнаємося все про атомний годинник і про те, як вони змушують весь світ цокати.
Атомний годинник показує час краще за будь-який інший годинник. Вони показують час краще, ніж обертання Землі та рух зірок. Без атомного годинника GPS-навігація була б неможливою, не була б синхронізована, а становище планет не було б відомо з достатньою точністю для космічних зондів та апаратів.
Атомний годинник не радіоактивний. Вони покладаються на атомний розпад. Більше того, у них є пружина, як і у звичайного годинника. Найбільша відмінність стандартного годинника від атомного в тому, що коливання в атомному годиннику відбуваються в ядрі атома між навколишніми електронами. Ці коливання складно назвати паралеллю балансового коліщатка в заводному годиннику, проте обидва типи коливання можна використовувати для відстеження часу, що минає. Частота коливань усередині атома визначається масою ядра, гравітацією та електростатичною «пружиною» між позитивним зарядом ядра та хмарою електронів навколо нього.
Які типи атомних годинників ми знаємо?
Сьогодні існують різні типи атомних годинників, однак побудовані вони на тих самих принципах. Основна відмінність пов'язана з елементом та засобами виявлення змін рівня енергії. Серед різних типів атомних годинників існують такі:
- Цезієві атомні годинники, що використовують пучки атомів цезію. Годинник розділяє атоми цезію з різними енергетичними рівнями магнітним полем.
- Водневий атомний годинник підтримує атоми водню на потрібному енергетичному рівні в контейнері, стіни якого виготовлені зі спеціального матеріалу, тому атоми не втрачають високоенергетичний стан надто швидко.
- Рубідієві атомний годинник, найпростіший і компактніший з усіх, використовують скляну комірку з рубідієвим газом.
Найточніший атомний годинник сьогоднішнього дня використовують атом цезію і звичайне магнітне поле з детекторами. Крім того, атоми цезію стримуються лазерним промінням, що зменшує невеликі зміни частоти через ефект Доплера.
Як працює атомний годинник на основі цезію?
Атоми мають характерну частоту коливань. Знайомий приклад частоти - це помаранчеве свічення натрію в кухонній солі, якщо її кинути у вогонь. У атома є багато різних частот, деякі радіодіапазон, деякі в діапазоні видимого спектру, а деякі між цими двома. Цезій-133 найчастіше вибирають для атомного годинника.
Щоб викликати резонанс атомів цезію в атомному годиннику, потрібно точно виміряти один із переходів або резонансну частоту. Зазвичай це робиться шляхом блокування кварцового генератора переважно мікрохвильовому резонансі атома цезію. Цей сигнал знаходиться в мікрохвильовому діапазоні радіочастотного спектра і має ту саму частоту, що і сигнали супутників прямого мовлення. Інженери знають, як створити обладнання для цієї галузі спектру, у найдрібніших подробицях.
Щоб створити годинник, цезій спочатку нагрівають так, що атоми випаровуються та проходять через трубу з високим вакуумом. Спочатку вони проходять через магнітне поле, яке вибирає атоми з необхідним енергетичним станом; потім вони проходять через інтенсивне мікрохвильове поле. Частота мікрохвильової енергії скаче туди-сюди у вузькому діапазоні частот, так що в певний момент вона досягає частоти 9192631770 герц (Гц, або циклів в секунду). Діапазон мікрохвильового генератора вже близький до цієї частоти, оскільки її виготовляє точний кварцовий генератор. Коли атом цезію отримує мікрохвильову енергію потрібної частоти, він змінює свій енергетичний стан.
Наприкінці трубки інше магнітне поле відокремлює атоми, які змінили свій енергетичний стан, якщо мікрохвильове поле було необхідної частоти. Детектор в кінці трубки дає вихідний сигнал, пропорційний кількості атомів цезію, які в нього потрапляють, і досягає піку, коли мікрохвильова частота досить вірна. Цей піковий сигнал потрібний для коригування, щоб привести кварцовий генератор, а значить і мікрохвильове поле до потрібної частоти. Ця заблокована частота потім ділиться на 9192631770, щоб дати знайомий всім один імпульс в секунду, потрібний реальному світу.
Коли винайшли атомний годинник?
У 1945 році професор фізики Колумбійського університету Ісідор Рабі запропонував годинник, який можна зробити на основі техніки, розробленої у 1930-х роках. Вона називалася атомний пучок магнітного резонансу. До 1949 року Національне бюро стандартів оголосило про створення першого у світі атомного годинника на основі молекули аміаку, коливання якої і зчитувалися, а до 1952 року - створила перший у світі атомний годинник на основі атомів цезію, NBS-1.
У 1955 році Національна фізична лабораторія в Англії побудувала перший годинник на основі пучка цезію як джерело калібрування. Протягом наступного десятиліття створювалися досконаліші годинники. У 1967 році в ході 13 Генеральної конференції з мір і ваги було визначено СІ секунди на основі вібрацій в атомі цезію. У світовій системі хронометражу був точніше визначення, ніж це. NBS-4, найстабільніший у світі цезієвий годинник, був завершений у 1968 році і використовувався до 1990 року.
У 1999 році NBS, перейменована в NIST, почала працювати з годинником NIST-F1, точність яких допускала похибку на одну секунду в 20 мільйонів років. 
Як вимірюється атомний час?
Правильна частота для резонансу частинки цезію сьогодні визначена міжнародною угодою і становить 9192631770 герц, тому при розподілі вихідного сигналу на це число повинен виходити 1 Гц, або 1 цикл в секунду.
Точність виміру часу в мільйон разів у порівнянні з астрономічними методами. На сьогоднішній день втрачає одну секунду п'ять мільярдів років.
