Что такое атомные часы и как они работают

Читать в полной версии

Что такое атомные часы

Атомные часы — это сверхточные устройства для измерения времени. Принцип их работы основывается на микроволновых сигналах, которые испускают электроны в атомах при изменении уровня энергии [1].

Атомные часы сохраняют стабильность долгие годы. В отличие от механических часов, работающих на колебании маятника, или кварцевых, использующих вибрацию кристалла, эти приборы опираются на свойства атомов — фундаментальных строительных блоков природы [2].

Основные отличия атомных часов от обычных:

• Точность: отклонение составляет менее одной секунды за миллионы лет [3];
• Стабильность: они не зависят от температуры, влажности и других внешних факторов;
• Надежность: используют постоянные свойства атомов, которые не меняются с течением времени.

Эталон времени в международной системе единиц — секунда. Ученые установили, что за этот период происходит 9 192 631 770 пульсаций электромагнитного излучения атома цезия-133 — электрон под действием магнитного поля переходит на другую энергетическую орбиту [4]. Этот стандарт используется по всему миру для синхронизации времени с 1967 года.

Кто изобрел атомные часы

Идея использовать колебания электромагнитного излучения для измерения времени появилась в 1940-х годах. Впервые ее предложили американские физики Исидор Раби и Норман Рамзей [5]. Раби разработал метод магнитного резонанса, который позволил измерять частоту атомных переходов, а Рамзей сделал его практичным для измерения земного времене, за что получил Нобелевскую премию по физике. Первая экспериментальная модель была построена в 1949 году в Национальном бюро стандартов США. В ней использовался аммиак, из-за чего точность сбоила.

В 1955 году британский физик Льюис Эссен в Национальной физической лаборатории Великобритании создал первые полноценные атомные часы на основе цезия [6]. Именно эта модель положила начало современным стандартам времени. Первые часы Эссена набирали одну секунду погрешности на 1000 дней. С тех пор приборы постоянно совершенствуются. Точность некоторых моделей - одна секунда за несколько миллиардов лет.

Как работают атомные часы

При разработке атомных часов выбираются следующие аспекты [7]:

• Выбор атома: чаще всего используется цезий-133 или рубидий. Эти элементы обладают стабильными физическими свойствами.
• Создание излучения: атомы помещают в специальную камеру, где их возбуждают с помощью микроволнового излучения.
• Резонанс: при определенной частоте излучения атомы начинают переходить между уровнями энергии. Частота переходов фиксируется и используется как эталон.
• Стабилизация: дополнительно используются лазеры для снижения  атомов, что позволяет увеличить время наблюдения за ними и повысить точность измерения частоты перехода.

Почему атомные часы самые точные

Атомные часы считаются самыми точными устройствами для измерения времени. Колебания атомов стабильны и не зависят от внешних условий, таких как температура, давление или влажность. Это делает атомные часы практически идеальными.

Кроме того, атомные часы используют сложные системы коррекции, которые устраняют погрешности, вызванные гравитацией, движением Земли и другими факторами.

Для чего нужны атомные часы

Атомные часы играют ключевую роль во многих областях человеческой деятельности. Точный отсчет времени необходим для функционирования сложных технологий и систем, например, навигации, таких как GPS, ГЛОНАСС и Galileo [8]. Вот как они используются:

1. Каждый спутник постоянно передает радиосигналы, которые содержат информацию о текущем времени по атомным часам и положении спутника. Приемник на Земле, например, в телефоне, принимает эти сигналы.
2. Приемник сравнивает время от отправки до получения. Разница между ними показывает, сколько сигнал передавался.
3. Зная скорость распространения радиосигнала (примерно скорость света), приемник вычисляет расстояние до спутника.
4. Чтобы точно определить местоположение на Земле, приемник должен получить сигналы от как минимум четырех спутников. На основе расстояний до спутников он вычисляет свое положение в трех измерениях (широта, долгота и высота).

Другие области применения включают в себя следующие сферы:

• Связь: в телекоммуникациях синхронизация сигналов зависит от точного времени. Это особенно важно для мобильной связи и интернета.
• Наука: исследования в области физики, астрономии и квантовой механики требуют сверхточных измерений времени.
• Экономика: на финансовых биржах важно фиксировать время транзакций с миллисекундной точностью.

Где находятся атомные часы

Атомные часы установлены в крупнейших научных центрах и лабораториях мира. Эти устройства требуют сложного оборудования и контроля, поэтому их размещают только в специализированных учреждениях.

Известные места, где установлены атомные часы:

• Национальный институт стандартов и технологий (NIST), США: один из крупнейших центров исследований времени [9].
• Национальная физическая лаборатория Великобритании: здесь были изобретены первые атомные часы на основе цезия [10].
• Международное бюро мер и весов, Франция: отвечает за поддержание и распространение Международной системы единиц [11].
• Национальный институт информационно-коммуникационных технологий, Япония: разрабатывает современные атомные часы [12].
• Обсерватория Невшатель, Швейцария: центр по изучению времени [13].

Атомные часы в России

В России атомные часы используются для синхронизации национального времени и работы навигационной системы ГЛОНАСС. Учреждением, ответственным за хранение эталона времени, является Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических измерений (ВНИИФТРИ). На его сайте указано: «Российские атомные часы отправляют свою информацию в Париж в Международное бюро времени, которое ведет мировую координированную атомную шкалу времени и на основе полученных данных со всего мира рассылает сигналы. Наши часы передают время через ГЛОНАСС, по телевидению, радио и через интернет» [14].