Атомарные часы. Как работают атомные часы (5 фото)

Вы когда-нибудь замечали, что ваши часы в доме показывают разное время? И как понять, какое из всех вариантов правильное? Ответы на все эти вопросы мы узнаем, досконально изучив принцип работы атомных часов.

Данная статья предназначена для лиц старше 18 лет

А вам уже исполнилось 18?

Атомные часы: описание и принцип работы

Давайте сначала разберемся, что же собой представляет механизм атомных часов. Атомные часы — это такой прибор, с помощью которого происходит измерение времени, но в нем используют его собственные колебания, как периодичность процесса, а также все происходит на атомном и молекулярном уровне. Отсюда такая точность.

Можно с уверенностью утверждать, что атомные часы самые точные! Именно благодаря им в мире функционирует Internet, GPS-навигация, нам известно точное расположение планет в солнечной системе. Погрешность этого прибора настолько минимальна, что можно уверенно говорить, что они мировые! Благодаря атомным часам происходит вся мировая синхронизация, известно, где находятся те или иные изменения.

Кто изобрел, кто создал, а также кто придумал эти чудо-часы?

Еще в начале сороковых годов ХХ столетия было известно об атомном пучке магнитного резонанса. Сначала его применение никак не касалось часов — это была только теория. Но уже в 1945 году Исидор Раби предложил создать прибор, концепция которого состояла в том, чтобы они работалина основе вышеописанной техники. Но они были устроены так, что показывали не точные результаты. И вот уже в 1949 году National Bureau of Standards оповестило весь мир о создании первых атомных часов, в основу которых легли молекулярные соединения аммиака, а уже в 1952 году были освоены технологии для создания прототипа на основе атомов цезия.

Услышав об атомах аммиака и цезия, возникает вопрос, а не радиоактивны ли эти чудесные часы? Ответ однозначный — нет! В них отсутствует атомный распад.

В наше время есть множество материалов, из которых производят атомные часы. Например, это кремний, кварц, алюминий и даже серебро.

Как работает прибор?

Давайте же разберемся, как выглядят и как работают часы на атомнойэнергии. Для этого предлагаем описание их работы:

Для правильного функионирования именно этих часов необходим не маятник, а также не кварцевый генератор. Они используют сигналы, которые возникают вследствие квантового перехода одного электрона между двумя энергетическими уровнями атома. В результате мы имеем возможность наблюдать электромагнитную волну. Другими словами, мы получаем частые колебания и сверхвысокий 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 (в основе был стронций) до самого минимального отклонения, а именно: за 15 млрд. леттам набегает одна секунда. Да-да, вам не показалось, именно такой возраст сейчас присваивается нашей с вами Вселенной. Это колоссальное открытие! Ведь именно стронций сыграл важнейшую роль в этом рекорде. Аналогом «тиканья» выступили перемещающиеся атомы стронция в его пространственной решетке, которую создали ученые при помощи лазера. Как и всегда в науке, на теории все кажется фееричным и уже усовершенствованным, но нестабильность такой системы может оказаться менее радостной на практике. Именно из-за своей нестабильности, мировую популярность получил прибор на цезии.

Теперь рассмотрим, из чего состоит такой прибор. Основными деталями здесь являются:

квантовый дискриминатор;
генератор из кварца;
электроника.

Генератор из кварца — это подобие автогенератора, но для произведения резонансного элемента, в нем применяют пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла.

Имея квантовый дискриминатор и кварцевый осциллятор, под воздействием их частоты происходит их сравнение и при выявлении разницы, схема обратной связи требует от кварцевого генератора подстраиваться под требуемое значение и повышать стабильность и точность. В результате на выходе мы видим на циферблате точное значение, а значит, точное время.

Ранние модели имели довольно большие размеры, однако в октябре 2013 года компания "BathysHawaii«произвела фурор, выпустив миниатюрныеатомные наручные часы. Сначала все восприняли такое заявление как шутку, но вскоре выяснилось, что это действительно правда, и они функционируют на основе атомного источника Цезий 133. Безопасность прибора обеспечивается тем, что радиоактивный элемент содержится в виде газа в специальной капсуле. Фото этого прибора разлетелось по всему миру.

Многих в теме атомных часов интересует вопрос источника питания. В качестве батарейки используется литий-ионный аккумулятор. Но увы, пока неизвестно, на сколько хватит такого аккумулятора.

Часы компании «BathysHawaii» стали действительно первыми атомными наручными часами. Ранее уже были известны случаи выпуска относительно портативного прибора, но, к сожалению, он не имел атомного источника питания, а всего на всего выполнял синхронизацию с реальными габаритными часами по беспроводной радиосвязи. Стоит также упомянуть и о стоимости такого гаджета. Удовольствие было оценено в 12 тыс. долларов США. Было понятно, что с такой ценой часы не обретут широкой популярности, но компания к этому и не стремилась, ведь выпустила их очень ограниченной партией.

Нам известны несколько типов атомных часов. В их конструкции и принципах нет существенных отличий, но все же некоторые отличия все-таки есть. Так, основные заключаются в средствах нахождения изменений и их элементов. Можно выделить следующие типы часов:

Водородные. Их суть заключается в том, что идет поддержка атомов водорода на нужном уровне энергетики, а вот стены сделаны из специального материала. Исходя из этого, делаем вывод, что именно водородные атомы очень быстро теряют свое энергетическое состояние.
Цезиевые. Основой для них являются пучки цезия. Стоит отметить, что именно эти часы являются самыми точными.
Рубидиевые. Они являются самыми простыми и очень компактными.

Как уже говорилось ранее, атомные часы являются очень дорогостоящим гаджетом. Так, карманные часы Hoptroff № 10 — яркий представитель игрушки нового поколения. Цена такого стильного и очень точного аксессуара составляет 78 тыс. долларов. Было выпущено всего 12 экземпляров. В механизме этого прибора используется высокочастотная колебательная система, которая также оснащена GPS-сигналом.

На этом компания не остановилась и именно в своей десятой версии часов хочет применить метод помещения механизма в золотой корпус, который будет напечатан на популярном 3D-принтере. Точно еще не рассчитано, сколько золота будет использовано для такой версии корпуса, но зато уже известна предполагаемая розничная стоимость этого шедевра — она составила около 50 тыс. фунтов стерлингов. И это еще не окончательная цена, хотя в ней учтены все объемы исследований, а также новизна и уникальность самого гаджета.

Исторические факты об использовании часов

Как же рассказывая об атомных часах, не упомянуть о самых интересных фактах, которые связаны с ними и временем в целом:

Вы знали, что в древнем Египте были найдены самые старые солнечные часы?
Погрешность атомных часов минимальна — она составляет всего 1 секунду на 6 миллионов лет.
Все знают, что в минуте — 60 секунд. Но мало кто вникал в то, сколько же миллисекунд в одной секунде? А их не много и не мало — тысяча!
Каждый турист, который смог побывать в Лондоне, обязательно стремился увидеть своими глазами Биг Бен. Но к сожалению, не многие знают, что Биг Бен — совсем не башня, а название огромного колокола, который весит 13 тонн и звонит внутри башни.
Вы никогда не задумывались, почему стрелки наших с вами часов идут именно слева направо или как мы привыкли говорить «по часовой стрелке»? Этот факт напрямую связан с тем, как движется тень на солнечных часах.
Самые первые наручные часы были придуманы в недалеком 1812 году. Их изготовил основатель фирмы Breguet для Неополитанской королевы.
До Первой Мировой войны, наручные часы считались только женским аксессуаром, но вскоре из-за своего удобства, они были облюбованы и мужской частью населения.

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.

Исидор Раби, профессор физики из Колумбийского университета, предложил невиданный доселе проект: часы, работающие по принципу атомного пучка магнитного резонанса. Это произошло в 1945 году, а уже в 1949 Национальное бюро стандартов выпустило первый работающий прототип. В нем считывались колебания молекулы аммиака. Цезий пошел в дело гораздо позже: модель NBS-1 появилась только в 1952 году.

Национальная физическая лаборатория в Англии создала первые часы на основе пучка цезия в 1955 году. Десять с лишним лет спустя, во время Генеральной конференции по мерам и весам были представлены более совершенные часы, также работающие на основе вибраций в атоме цезия. Модель NBS-4 использовалась до 1990 года.

Типы часов

На данный момент существует три типа атомных часов, которые работают примерно по одному и тому же принципу. Цезиевые часы, самые точные, разделяют атом цезия магнитным полем. Самые простые атомные часы, рубидиевые, используют рубидиевый газ, заключенный в стеклянную колбу. И, наконец, водородные атомные часы берут за точку отсчета атомы водорода, закрытые в оболочке из специального материала - он не дает атомам быстро терять энергию.

Который час

В 1999 году Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) предложил еще более совершенную версию атомных часов. Модель NIST-F1 допускает погрешность всего на одну секунду в двадцать миллионов лет.

Самые точные

Но физики из NIST не остановились на достигнутом. Ученые решили разработать новый хронометр, на этот раз на основе атомов стронция. Новые часы работают на 60% предыдущей модели, а это значит, что они теряют одну секунду не за двадцать миллионов лет, а за целых пять миллиардов.

Измерение времени

Международное соглашение определило единственно точную частоту для резонанса частицы цезия. Это 9 192 631 770 герц - при делении выходящего сигнала на это число получается ровно один цикл в секунду.

Атомные часы являются наиболее точными приборами для измерения времени, которые существуют сегодня, и приобретают все большее значение с развитием и усложнением современных технологий.

Принцип работы

Атомные часы точное время отсчитывают не благодаря радиоактивному распаду, как может показаться по их названию, а используя колебания ядер и окружающих их электронов. Их частоту определяет масса ядра, гравитация и электростатический «балансир» между положительно заряженным ядром и электронами. Это не совсем соответствует обычному часовому механизму. Атомные часы являются более надежными хранителями времени, потому что их колебания не изменяются в зависимости от таких факторов окружающей среды, как влажность, температура или давление.

Эволюция атомных часов

За многие годы ученые поняли, что атомы обладают резонансными частотами, связанными со способностью каждого поглощать и испускать электромагнитное излучение. В 1930-х и 1940-х годах было разработано оборудование для высокочастотной связи и РЛС, которое могло взаимодействовать с частотами резонанса атомов и молекул. Это способствовало возникновению идеи часов.

Первые экземпляры были построены в 1949 году Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). В качестве источника вибрации в них использовался аммиак. Однако они оказались ненамного точнее существующего стандарта времени, и в следующем поколении был применен цезий.

Новый стандарт

Изменение точности измерения времени оказалось настолько большим, что в 1967 году Генеральная конференция по мерам и весам определила секунду SI как 9 192 631 770 колебаний атома цезия на его резонансной частоте. Это означало, что время больше не было связано с движением Земли. Наиболее стабильные атомные часы в мире были созданы в 1968 году и использовались в качестве части системы отсчета времени NIST вплоть до 1990-х годов.

Вагон усовершенствований

Одним из последних достижений в этой области является лазерное охлаждение. Это улучшило отношение сигнал - шум и сократило неопределенность в тактовом сигнале. Для размещения этой системы охлаждения и другого оборудования, используемого для улучшения цезиевых часов, потребуется место размером с железнодорожный вагон, хотя коммерческие варианты могут поместиться в чемодане. Одна из таких лабораторных установок отсчитывает время в г. Боулдере, штат Колорадо, и является самыми точными часами на Земле. Они ошибаются лишь на 2 наносекунды в день или на 1 с в 1,4 млн лет.

Сложная технология

Такая огромная точность является результатом сложного технологического процесса. Прежде всего жидкий цезий помещают в печь и нагревают до тех пор, пока он не превратится в газ. Атомы металла на высокой скорости выходят через небольшое отверстие в печи. Электромагниты заставляют их разделиться на отдельные пучки с разными энергиями. Необходимый луч проходит через U-образное отверстие, и атомы подвергаются облучению энергией микроволнового излучения частотой 9.192.631.770 Гц. Благодаря этому они возбуждаются и переходят в другое энергетическое состояние. Затем магнитное поле отфильтровывает другие энергетические состояния атомов.

Детектор реагирует на цезий и показывает максимум при правильном значении частоты. Это необходимо для настройки кварцевого генератора, управляющего механизмом тактирования. Деление его частоты на 9.192.631.770 и дает один импульс в секунду.

Не только цезий

Хотя наиболее распространенные атомные часы используют свойства цезия, есть и другие их типы. Они отличаются применяемым элементом и средствами определения изменения энергетического уровня. Другими материалами являются водород и рубидий. Атомные часы на водороде функционируют подобно цезиевым, но требуют емкости со стенками из особого материала, препятствующего слишком быстрой потере атомами энергии. Рубидиевые часы наиболее просты и компактны. В них стеклянная ячейка, заполненная газообразным рубидием, изменяет поглощение света при воздействии сверхвысокой частоты.

Кому необходимо точное время?

Сегодня время можно отсчитывать с особой точностью, но почему это важно? Это необходимо в таких системах, как мобильные телефоны, интернет, GPS, авиационные программы и цифровое телевидение. На первый взгляд это не очевидно.

Пример того, как используется точное время, - синхронизация пакетов. Через среднюю линию связи проходят тысячи телефонных звонков. Это возможно только потому, что разговор не передается полностью. Телекоммуникационная компания разделяет его на мелкие пакеты и даже пропускает часть информации. Затем они проходят через линию вместе с пакетами других разговоров и на другом конце восстанавливаются, не смешиваясь. Система тактирования телефонной станции может определять, какие пакеты принадлежат данному разговору, по точному времени отправки информации.

GPS

Другой реализацией точного времени является система глобального позиционирования. Она состоит из 24 спутников, которые передают свои координаты и время. Любой приемник GPS может соединиться с ними и сравнить время трансляции. Разница позволяет пользователю определить свое местоположение. Если бы эти часы были не очень точными, то система GPS была бы непрактичной и ненадежной.

Предел совершенства

С развитием технологий и атомных часов стали заметны неточности Вселенной. Земля движется неравномерно, что приводит к случайным колебаниям продолжительности лет и дней. В прошлом эти изменения остались бы незамеченными, поскольку инструменты для измерения времени были слишком неточны. Однако, к большому разочарованию исследователей и ученых, время атомных часов приходится корректировать для компенсации аномалий реального мира. Они являются удивительными инструментами, способствующими продвижению современных технологий, но их совершенство ограничено пределами, установленными самой природой.

Научный мир облетела сенсация – из нашей Вселенной… испаряется время! Пока это только гипотеза испанских астрофизиков. Но то, что течение времени на Земле и в космосе отличается, учеными уже доказано. Время под воздействием гравитации течет медленнее, ускоряясь при удалении от планеты. Задачу синхронизировать земное и космическое время выполняют водородные стандарты частоты, которые еще называют «атомными часами».

Первое атомное время появилось вместе с возникновением космонавтики, атомные часы появились в середине 20-х годов. Сейчас атомные часы стали обыденной вещью, ими ежедневно пользуется каждый из нас: с их помощью работает цифровая связь, ГЛОНАС, навигация, транспорт.

Владельцы мобильных телефонов едва ли задумываются о том, какая сложная работа в космосе проводится для жёсткой синхронизации по времени, а ведь речь идёт всего лишь о миллионных долях секунды.

Эталон точного времени хранится в Подмосковье, в Научном институте физико-технических и радио-технических измерений. Всего таких часов в мире – 450.

Монополистами на атомные часы являются Россия и США, но в США часы работают на основе цезия – радиоактивного металла, очень вредного для экологии, а в России – на основе водорода – более безопасного долговечного материала.

У этих часов нет циферблата и стрелок: они похожи на большую бочку из редких и ценных металлов, наполненную самыми передовыми технологиями – высокоточными измерительными приборами и аппаратурой с атомными стандартами. Процесс их создания очень долгий, сложный и проходит в условиях абсолютной стерильности.

Уже 4 года часы, установленные на российском спутнике, изучают тёмную энергию. По человеческим стандартам они теряют точность на 1 секунду за много миллионов лет.

Очень скоро атомные часы установят на Спектр-М – космическую обсерваторию, которая увидит как формируются звёзды и экзопланеты, заглянет за краешек чёрной дыры в центре нашей Галактики. По мнению учёных, из-за чудовищной гравитации время течёт здесь настолько медленно, что почти останавливается.

tvroscosmos