Который атомный час? Как работает самый точный и малопонятный прибор для измерения времени
70 лет назад физики впервые изобрели атомные часы — самый точный на сегодняшний день прибор для измерения времени. С тех пор устройство прошло путь от концепта размером с целую комнату до микроскопического чипа, который можно встроить в носимые устройства. «Хайтек» объясняет, как работают атомные часы, чем отличаются от привычных нам приборов для измерения времени и почему они вряд ли станут массовым явлением.
Читайте «Хайтек» в
Начнем с простого: что такое атомные часы?
Это не так уж просто! Для начала разберемся, как работают привычные нам инструменты для измерения времени — кварцевые и электронные хронометры.
Часы, которые могут измерять секунды, состоят из двух компонентов:
В кварцевых и электронных часах физическое действие происходит в кристалле кварца определенного размера, который сжимается и разжимается под воздействием электрического тока с частотой 32 768 Гц. Как только кристалл совершает это количество колебаний, часовой механизм получает электрический импульс и поворачивает стрелку — так работает счетчик.
В атомных часах процесс происходит иначе. Счетчик фиксирует микроволновый сигнал, испускаемый электронами в атомах при изменении уровня энергии. Когда атомы щелочных и щелочноземельных металлов вибрируют определенное количество раз, прибор принимает это значение за секунду.
Показания цезиевых атомных часов лежат в основе современного определения секунды в международной системе единиц измерения СИ. Она определяется как промежуток времени, в течение которого атом цезия-133 (133Cs) совершает 9 192 631 770 переходов.
Атомные часы и правда очень точные?
Да! Например, механические кварцевые часы работают с точностью ±15 секунд в месяц. Когда кварцевый кристалл вибрирует, он теряет энергию, замедляется и теряет время (чаще всего такие часы спешат). Подводить такие часы нужно примерно два раза в год.
Кроме того, со временем кристалл кварца изнашивается и часы начинают спешить. Такие измерительные приборы не отвечают требованиям ученых, которым необходимо делить секунды на тысячи, миллионы или миллиарды частей. Механические компоненты нельзя заставить двигаться с такой скоростью, а если бы это удалось сделать, их компоненты изнашивались бы крайне быстро.
Цезиевые часы отклонятся на одну секунду за 138 млн лет. Однако точность таких измерительных приборов постоянно растет — на данный момент рекорд принадлежит атомным часам с точностью около 10 в степени –17, что означает накопление ошибки в одну секунду за несколько сот миллионов лет.
Раз в атомных часах используются цезий и стронций, они радиоактивны?
Ничего не понимаем! Как же тогда работают атомные часы?
Расскажем о самых стабильных, цезиевых часах. Измерительный прибор состоит из радиоактивной камеры, кварцевого генератора, детектора, нескольких тоннелей для атомов цезия и магнитных фильтров, которые сортируют атомы низкой и высокой энергии.
Прежде чем попасть в тоннели, хлорид цезия нагревается. Это создает газовый поток ионов цезия, которые затем проходят через фильтр — магнитное поле. Оно разделяет атомы на два подпотока: с высокой и низкой энергией.
Низкоэнергетичный поток атомов цезия проходит через радиационную камеру, где происходит облучение с частотой 9 192 631 770 циклов в секунду. Это значение совпадает с резонансной частотой атомов цезия и заставляет их изменить энергетическое состояние.
Следующий фильтр отделяет низкоэнергетичные атомы от высокоэнергетичных — последние остаются в случае, если произошло смещение частоты излучения. Чем ближе частота облучения к резонансной частоте атомов, тем больше атомов станут высокоэнергетическими и попадут на детектор, который преобразует их в электричество. Ток необходим для работы кварцевого генератора — он отвечает за длину волны в радиационной камере, — а значит за то, чтобы цикл повторился вновь.
Предположим, кварцевый генератор теряет свою энергию. Как только это происходит, излучение в камере ослабевает. Следовательно, количество атомов цезия, переходящих в состояние высокой энергии, падает. Это дает сигнал резервной электрической цепи отключить генератор и скорректировать период колебаний, тем самым фиксируя частоту в очень узком диапазоне. Затем эта фиксированная частота делится на 9 192 631 770, что приводит к формированию импульса, отсчитывающего секунду.
Если атомные часы тоже зависят от кварцевого кристалла, в чем тогда прорыв?
Действительно, кварцевый генератор — самое слабое место цезиевых атомных часов. С момента создания первого такого измерительного прибора исследователи ищут способ отказаться от компонента — в том числе за счет экспериментов с различными щелочными и щелочноземельными металлами, помимо цезия.
Например, в конце 2017 года ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) создали в качестве основы для атомных часов трехмерную решетку из 3 тыс. атомов стронция.
Исследователям удалось доказать, что увеличение числа атомов в решетке приводит к увеличению точности часов, а при максимальном количестве атомов точность составила погрешность в одну секунду за 15 млрд лет (примерно столько прошло со времен Большого взрыва).
Но стабильность работы стронциевых часов еще предстоит проверить — сделать это можно только со временем. Пока ученые берут за основу для измерений показания цезиевых атомных часов с кварцевым кристаллом внутри.
Ясно! Значит, скоро атомные часы станут обычным делом?
Маловероятно. Проблема заключается в том, что точность атомных часов регулируется принципом неопределенности Гейзенберга. Чем выше точность частоты излучения, тем выше фазовый шум, и наоборот. Повышение фазового шума означает, что необходимо усреднить множество циклов для достижения необходимого уровня точности частоты. Это делает разработку и поддержание работоспособности атомных часов довольно дорогими для массового использования.
Однако в большинстве случаев использование простого кварцевого кристалла будет дешевле и эффективнее, — потому что кварц имеет гораздо лучшее соотношение точности частоты к фазовому шуму. Поэтому атомные часы необходимы только в случае, когда нужно иметь заданную точность частоты в течение продолжительного времени — десятков и сотен лет. Такие случаи крайне редки — и вряд ли действительно необходимы обычному человеку, а не ученому.
Как атомные часы измеряют время?
Доводилось ли тебе задумываться, какие часы самые точные в мире? Рассуждая на бытовом уровне, мы обычно сравниваем электронные и механические системы, предназначенные для отсчета времени. Но ведь где-то должно быть устройство, отсчет которого используется как эталон. Оно должно быть сверхточным и невероятно надежным, чтобы все присутствующие на Земле приборы по нему сверялись. Такое приспособление есть, и это атомные часы.
Чтобы оценить точность атомных часов, нужно понять, как они работают. Они определяют и отсчитывают время за счет собственных колебаний, этот периодический процесс никогда не останавливается, так как происходит на молекулярном и атомном уровне. Поэтому они такие точные.
В этой статье мы расскажем про атомные часы: как они работают и выглядят, кто их придумал, как человечество ими пользуется. Также здесь ты найдешь интересные факты о часах и отсчете времени.
Атомные часы — самые точные и надежные в мире. Это доказанный факт, который невозможно оспорить. Без них люди не знали бы, как точно расположены планеты в солнечной системе, не смогло бы пользоваться интернетом и системами навигации на основе GPS. На самом деле даже у такого прибора имеется некая погрешность, но она настолько минимально, что в рамках солнечной системы ничего не значит. Устройство синхронизирует все часы во всем мире, оно показывает, для находятся конкретные измерения, работает даже в космосе, где время идет по-другому. Если тебе хочется узнать про отсчет времени за пределами нашей планеты, обратись к статье “Как идет время в космосе?”.
О создании атомных часов
Еще в сороковые годы прошлого века ученые знали о существовании пучка магнитного резонанса. Изначально о практическом применении в часах не могло быть и речи, его использование ограничивалось теориями. В 1945 году Исидор Раби высказал предположение о возможности создания прибора по теоретически созданным техникам. Было создано что-то вроде часов, но они предоставляли неверные данные. Так продолжалось до 1949 года.
Открытие осветил миру National Bureau of Standards, весть о создании первых атомных часов очень быстро разлетелась по свету. В основе механизма были соединения аммиака, в ближайшие годы стали разрабатывать механизмы на других веществах. К 1952 году появился первый прототип на основе цезия.
И сейчас, и в те времена общественность волновал один вопрос: если эти часы атомные, не являются ли они радиоактивными. Нет, не являются и не могут такими быть, так как устройство не предполагает атомного распада. Сейчас такие часы научились производить из разных материалов. Можно использовать алюминий, кварц, кремний, применяют даже серебро.
Принцип работы
Механизм функционирует по таким принципам:
Казалось бы, механизм совершенен, но каждый год наука делает новые открытия и получает возможность модернизировать процесс. Последним значимым открытием стала работа специалистов из The National Institute of Standards and Technology, они установили мировой рекорд. Они работали над атомными часами на основе стронция, им удалось добиться самого минимального в мире отклонения. Погрешность составляет одну секунду за 15 миллиардов лет.
Это важнейшее открытие мирового масштаба. Добиться таких показателей удалось благодаря использованию именно стронция. По аналогии с тем, как обычные часы отсчитывают время тиканьем, стронциевые перемещают атомы стронция в пространстве. Пространство — это пространственная решетка, созданная лазером.
Однако, это теоретические сведения. Они впечатляют, но на практике что-то может пойти не так. Устройства на цезии не настолько точные, но они очень популярны, так как гарантированно надежные. Устройствам на основе стронция предстоит пройти проверку временем.
Строение прибора
Вне зависимости от используемого вещества любые сверхточные часы включают в свое строение кварцевый генератор, квантовый дискриминатор и электронику. Генератор работает по аналогии с автогенератором, отличие в том, что в качестве резонансного элемента в нем применяют кварцевый кристалл в виде пьезоэлектрических мод.
Частоты кварцевого элемента и квантового дискриминатора позволяют сравнивать величины. Если обнаруживается разница, то происходит запрос, под воздействием которого генератор вынужден подстроиться под нужную величину. Так удалось добиться точности и надежности. И это позволяет видеть на табло точное значение, то есть мы видим точнейшее время на циферблате.
Наручные атомные часы
Первые модели были очень громоздкими. Все изменилось в 2013 году, когда фирма Bathys Hawaii выпустила наручный вариант, первые в мире миниатюрные атомные часы. Мировая общественность не поверила, кто-то посмеялся над этим, как над забавной шуткой. Но вскоре сомнений не осталось, наручные часы действительно работают на основе атомов Цезий 133. Повторимся, прибор безопасен, он не распространяет радиацию. В нем есть радиоактивный элемент, это газ в специальной капсуле, которую невозможно повредить в бытовых условиях. Слава этого прибора облетела весь мир.
Любопытный вопрос: за счет чего питаются эти часы, что дает им энергию. Это простой литий-ионный аккумулятор. На данный момент мы не знаем, на какой срок службы он рассчитан. Эти часы стали весьма популярными в мире, так как были первыми наручными. Но другие портативные устройства были изобретены и до них.
Какие бывают?
Первые портативные устройства не обладали автономностью. Их функция заключалась в синхронизации часов по беспроводному радиоканалу. Стоили такие целых 12 тысяч американских долларов, и это одна из причин, почему они не стали всемирно востребованными. Но производитель и не стремился к массовости, он изначально выпустил новинку очень лимитированной партией.
Сейчас есть несколько типов атомных часов:
Любые атомные часы — недешевые, для простого человека это просто дорогая игрушка. К примеру, модель Hoptroff №10 стоит 78 тысяч долларов. Они были выпущены в 12 экземплярах. В них встроен GPS-сигнал. Компания планирует создать модель с золотым корпусом. Какой будет вес золота, пока неизвестно, но уже рассчитана примерная стоимость — около 50 тысяч фунтов стерлингов. В цифру заложены исследования, разработки и создание.
Интересные факты о часах
На данный момент атомные — это самые точные и новейшие часы. Чтобы создать такие, человечество прошло множество стадий. Приводим самые интересные факты из истории развития часового дела:
Теперь ты точно знаешь, какие часы самые точные в мире. Это атомные часы на основе цезия.
Сверим атомные часы: зачем науке будущего нужно так точно измерять время
Атомные часы — это сверхточные инструмент измерения времени, который сегодня имеет ничтожную погрешность в секунду на несколько миллиардов лет. Такой механизм не носят на руке, чтобы не опоздать на работу, а используют для того, чтобы вычислять огромные расстояния между планетами, при отображении глобальных карт и даже для того, чтобы измерить искажение пространства-времени. Подробнее о том, почему наука не может обойтись без атомных часов.
Читайте «Хайтек» в
Как атомные часы измеряют время
В конструкции атомных часов есть кварцевый кристалл: он сжимается и разжимается, именно этот процесс заставляет часы работать. Этот процесс контролируют колебания внутри атома. Эти колебания — периодические переходы между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах.
Чтобы понять, как это работает, нужно вспомнить строение атома. В центре есть ядро, которое заряжено положительно: вокруг находятся заряженные отрицательно электроны, каждый на своей орбите. При этом каждый из них находится на конкретном энергетическом уровне, то есть имеет то или иное количество энергии за счет притяжения к ядру.
Этот уровень можно изменить, если послать электрону большее количество энергии, для этого можно, например, нагреть атом. Потом электрон снова вернется на свой уровень и отдаст излишки в виде излучения. Вот на этом излучении все и построено: оно имеет определенную частоту и напоминает маятник в часах.
Сегодня атомные часы могут работать на атомах рубидия, стронция, водорода: принцип от этого не меняется.
Конструкцию атомных часов постоянно улучшают, например, был изобретен механизм, который отстает на одну секунду раз в несколько сотен миллиардов лет.
Без атомных часов не будет навигации на Земле и в космосе
Атомные часы нужны в первую для навигации: ГЛОНАСС и GPS, так как эти системы определяют расстояние по времени, за которое сигнал проходит от точки на Земле до спутника и обратно. Часы используют для измерения расстояния между объектами исходя из замеров, сколько времени требуется сигналу для перемещения из точки A в точку Б.
В настоящее время для навигации, чтобы точно определить местоположение космического корабля, используются атомные часы на Земле размером с холодильник.
Может пройти больше часа, пока сигнал дойдет до космического корабля и вернется на Землю.
По этим данным вычисляются координаты и инструкции: их отправляют обратно на космический корабль.
Если на борту космического корабля будут собственные часы, то он сможет сам рассчитывать свою траекторию. Это позволит путешествовать дальше и безопасно транспортировать людей на другие планеты.
Узнать расстояние между планетами с помощью атомных часов
Но основной заказчик атомных часов — астрономы. Они используют атомные часы, чтобы измерять огромные расстояния в космосе и определять, сколько нас отделяет от определенной планеты или астероида.
Для этого они посылают сигнал и фиксируют время его возвращения. Если погрешность будет хоть на секунду, то можно потерять примерно триста тысяч километров в точности.
Как атомные часы помогут найти темную материю
Темная материя может воздействовать на нашу обычную материю и у этого должны быть последствия. Одним из них может быть изменение постоянной тонкой структуры, одной из фундаментальных физических констант.
Постоянная тонкой структуры — это отношение скорости вращения электрона на первой орбитали к скорости света, и она равна примерно 0,007.
Ученые ранее считали, что эта константа всегда равна одной и той же величине, но, как показали недавние открытия она может незначительно меняться.
По одной из теорий, темная материя — это топологические дефекты пространства, возникшие во время Большого взрыва. Они могут повлиять на постоянную.
Ученые использовали несколько атомных часов, так как дефекты топологии должны действовать на отдаленные предметы в пространстве по-разному должны действовать на разные часы, разнесенные в пространстве.
Для того, чтобы повысить точность, авторы объединили часы для повышения точности в сеть из четырех устройств, каждое находилось в одной из стран: в Польше, США, Японии и Франции. Данные от всех устройств сводятся вместе, чтобы анализировать топологические эффекты.
Сверхточные атомные часы смогут измерить искажение пространства-времени
Ученые уверены, что достаточно точные атомные часы могут служить инструментом, измеряющим, как объекты за счет гравитации искажают окружающее пространство.
Физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере использовали лазеры и создали импровизированную ловушку для атомов: она выглядела как несколько очень маленьких чашек.
Тысячи атомов иттербия заполняют эти чашки, если воздействовать на них лазерным лучом правильной частоты,а электроны на орбите совершат переход на один энергетический уровень.
В такой системе электроны будут делать более квадриллиона переходов. Как только лазер настроен на «идеальную» частоту, начинается перевод информации из частоты лазерного излучения в сигнал, который может принять и расшифровать электронное устройство, то есть те самые часы.
Ученые смогли настроить лазер так, что теперь полученные данные помогут определить влияние гравитации на само пространство-время.
Атомные часы — это важный инструмент измерения такой эфемерной величины как время. Без него не получится отследить малейшие изменения в земном времени или измерить расстояние до соседних планет и галактик.
А в будущем атомные часы станут незаменимы при колонизации планет и изучении темной материи.
Но вряд ли когда-нибудь они станут бытовым гаджетом.
Как функционируют атомные часы
Атомные часы: описание ипринцип работы
Давайте сначала разберемся, чтоже собой представляет механизм атомных часов. Атомные часы— это такой прибор, спомощью которого происходит измерение времени, новнем используют его собственные колебания, как периодичность процесса, атакже все происходит наатомном имолекулярном уровне. Отсюда такая точность.
Можно суверенностью утверждать, что атомные часы самые точные! Именно благодаря имвмире функционирует Internet, GPS-навигация, нам известно точное расположение планет всолнечной системе. Погрешность этого прибора настолько минимальна, что можно уверенно говорить, что они мировые! Благодаря атомным часам происходит вся мировая синхронизация, известно, где находятся теили иные изменения.
Кто изобрел, кто создал, атакже кто придумал эти чудо-часы?
Еще вначале сороковых годовХХ столетия было известно обатомном пучке магнитного резонанса. Сначала его применение никак некасалось часов— это была только теория. Ноуже в1945 году Исидор Раби предложил создать прибор, концепция которого состояла втом, чтобы они работалина основе вышеописанной техники. Ноони были устроены так, что показывали неточные результаты. Ивот уже в1949 году National Bureau ofStandards оповестило весь мир осоздании первых атомных часов, воснову которых легли молекулярные соединения аммиака, ауже в1952 году были освоены технологии для создания прототипа наоснове атомов цезия.
Услышав обатомах аммиака ицезия, возникает вопрос, анерадиоактивныли эти чудесные часы? Ответ однозначный— нет! Вних отсутствует атомный распад.
Внаше время есть множество материалов, изкоторых производят атомные часы. Например, это кремний, кварц, алюминий идаже серебро.
Как работает прибор?
Давайтеже разберемся, как выглядят икак работают часы наатомнойэнергии. Для этого предлагаем описание ихработы:
Для правильного функионирования именно этих часов необходим немаятник, атакже некварцевый генератор. Они используют сигналы, которые возникают вследствие квантового перехода одного электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Врезультате мыимеем возможность наблюдать электромагнитную волну. Другими словами, мыполучаем частые колебания исверхвысокий уровень стабильности работы системы. Ежегодно за счет новых открытий происходят модернизации процессов. Не так давно специалистыThe NationalInstituteo fStandardsand Technology (NIST)стали рекордсменами, установив абсолютный мировой рекорд. Они смогли довести точность работы атомных часов (воснове был стронций) досамого минимального отклонения, аименно: за15млрд. леттам набегает одна секунда. Да-да, вам непоказалось, именно такой возраст сейчас присваивается нашей свами Вселенной. Это колоссальное открытие! Ведь именно стронций сыграл важнейшую роль вэтом рекорде. Аналогом «тиканья» выступили перемещающиеся атомы стронция вего пространственной решетке, которую создали ученые при помощи лазера. Как ивсегда внауке, натеории все кажется фееричным иуже усовершенствованным, нонестабильность такой системы может оказаться менее радостной напрактике. Именно из-за своей нестабильности, мировую популярность получил прибор нацезии.
Теперь рассмотрим, изчего состоит такой прибор. Основными деталями здесь являются:
Генератор изкварца— это подобие автогенератора, нодля произведения резонансного элемента, внем применяют пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла.
Имея квантовый дискриминатор икварцевый осциллятор, под воздействием ихчастоты происходит ихсравнение ипри выявлении разницы, схема обратной связи требует откварцевого генератора подстраиваться под требуемое значение иповышать стабильность иточность. Врезультате навыходе мывидим нациферблате точное значение, азначит, точное время.
Ранние модели имели довольно большие размеры, однако воктябре 2013 года компания «BathysHawaii«произвела фурор, выпустив миниатюрныеатомные наручные часы. Сначала все восприняли такое заявление как шутку, новскоре выяснилось, что это действительно правда, иони функционируют наоснове атомного источника Цезий 133. Безопасность прибора обеспечивается тем, что радиоактивный элемент содержится ввиде газа вспециальной капсуле. Фото этого прибора разлетелось повсему миру.
Многих втеме атомных часов интересует вопрос источника питания. Вкачестве батарейки используется литий-ионный аккумулятор. Ноувы, пока неизвестно, насколько хватит такого аккумулятора.
Часы компании «BathysHawaii» стали действительно первыми атомными наручными часами. Ранее уже были известны случаи выпуска относительно портативного прибора, но, ксожалению, оннеимел атомного источника питания, авсего навсего выполнял синхронизацию среальными габаритными часами побеспроводной радиосвязи. Стоит также упомянуть иостоимости такого гаджета. Удовольствие было оценено в12тыс. долларов США. Было понятно, что стакой ценой часы необретут широкой популярности, нокомпания кэтому инестремилась, ведь выпустила ихочень ограниченной партией.
Нам известны несколько типов атомных часов. Вихконструкции ипринципах нет существенных отличий, новсеже некоторые отличия все-таки есть. Так, основные заключаются всредствах нахождения изменений иихэлементов. Можно выделить следующие типы часов:
Как уже говорилось ранее, атомные часы являются очень дорогостоящим гаджетом. Так, карманные часы Hoptroff №10— яркий представитель игрушки нового поколения. Цена такого стильного иочень точного аксессуара составляет 78тыс. долларов. Было выпущено всего 12экземпляров. Вмеханизме этого прибора используется высокочастотная колебательная система, которая также оснащена GPS-сигналом.
Наэтом компания неостановилась иименно всвоей десятой версии часов хочет применить метод помещения механизма взолотой корпус, который будет напечатан напопулярном 3D-принтере. Точно еще нерассчитано, сколько золота будет использовано для такой версии корпуса, нозато уже известна предполагаемая розничная стоимость этого шедевра— она составила около 50тыс. фунтов стерлингов. Иэто еще неокончательная цена, хотя вней учтены все объемы исследований, атакже новизна иуникальность самого гаджета.
Исторические факты обиспользовании часов
Какже рассказывая обатомных часах, неупомянуть осамых интересных фактах, которые связаны сними ивременем вцелом:
