Сверим часы

Краткая история появления атомных приборов измерения времени

Первые атомные часы NBS-1
Первые атомные часы NBS-1
Фото: www.nist.gov

Прогресс не стоит на месте ─ совсем недавно в США были созданы высокоточные атомные часы, которые совершают ошибку в одну секунду за 300 миллионов лет. Эти часы, заменившие старую модель, которая допускала ошибку в одну секунду за сто миллионов лет, теперь задают стандарт американского гражданского времени. «Лента.ру» решила вспомнить историю создания атомных часов.

Первый атом

Для того чтобы создать часы, достаточно использовать любой периодический процесс. И история появления приборов измерения времени ─ это отчасти история появления либо новых источников энергии, либо новых колебательных систем, используемых в часах. Самыми простыми часами являются, вероятно, солнечные: для их работы необходимо только Солнце и предмет, который отбрасывает тень. Недостатки этого способа определения времени очевидны. Водяные и песочные часы тоже не лучше: они пригодны лишь для измерения сравнительно коротких промежутков времени.

Самые древние механические часы были найдены в 1901 году рядом с островом Антикитера на затонувшем корабле в Эгейском море. Они содержат около 30 бронзовых шестерен в деревянном корпусе размером 33 на 18 на 10 сантиметров и датируются примерно сотым годом до нашей эры.

В течение почти двух тысяч лет механические часы были самыми точными и надежными. Появление в 1657 году классического труда Христиана Гюйгенса «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica») с описанием устройства отсчета времени с маятником в качестве колебательной системы, стало, вероятно, апогеем в истории развития механических приборов такого типа.

Однако астрономы и мореплаватели все равно использовали звездное небо и карты для определения своего местоположения и точного времени. Первые же электрические часы изобрел в 1814 году Фрэнсис Роналдс. Однако первый такой прибор был неточным из-за чувствительности к изменениям температуры.

Дальнейшая история часов связана с использованием в устройствах разных колебательных систем. Представленные в 1927 году сотрудниками Лабораторий Белла кварцевые часы использовали пьезоэлектрические свойства кристалла кварца: при воздействии на него электрического тока кристалл начинает сжиматься. Современные кварцевые хронометры могут обеспечить точность до 0,3 секунды в месяц. Однако, поскольку кварц подвержен старению, с течением времени часы начинают идти с меньшей точностью.

С развитием атомной физики ученые предложили использовать в качестве колебательных систем именно частицы вещества. Так появились первые атомные часы. Идею о возможности использования атомных колебаний водорода для измерения времени предложил еще в 1879 году английский физик лорд Кельвин, однако только к середине XX века это стало возможным.

В 1930-х годах американский физик и первооткрыватель ядерного магнитного резонанса Исидор Раби начал работать над атомными часами с цезием-133, однако начало войны помешало ему. Уже после войны в 1949 году в Национальном комитете стандартов США с участием Гарольда Лайонсона были созданы первые молекулярные часы, использующие молекулы аммиака. Но первые такие приборы измерения времени не были точными, как современные атомные часы.

Относительно малая точность была связана с тем, что из-за взаимодействия молекул аммиака между собой и со стенками емкости, в которой находилось это вещество, изменялась энергия молекул, и их спектральные линии уширялись. Этот эффект очень похож на трение в механических часах.

Позднее, в 1955 году, Луи Эсссен из Национальной физической лаборатории Великобритании представил первые атомные часы на цезии-133. Эти часы накапливали ошибку в одну секунду за миллион лет. Прибор получил название NBS-1 и стал считаться цезиевым эталоном частоты.

Принципиальная схема атомных часов состоит из кварцевого генератора, контролируемого дискриминатором по схеме обратной связи. В генераторе используются пьезоэлектрические свойства кварца, тогда как в дискриминаторе происходят энергетические колебания атомов, так что колебания кварца отслеживаются сигналами от переходов с разных энергетических уровней в атомах или молекулах. Между генератором и дискриминатором находится компенсатор, настроенный на частоту атомных колебаний и сравнивающий ее с частотой колебаний кристалла.

Атомы, используемые в часах, должны обеспечивать стабильные колебания. Для каждой частоты электромагнитного излучения существуют свои атомы: кальция, стронция, рубидия, цезия, водорода. Или даже молекулы аммиака и йода.

Эталон времени

С появлением атомных приборов измерения времени стало возможным использовать их в качестве универсального эталона для определения секунды. С 1884 года Гринвичское время, считавшееся мировым стандартом, уступило место эталону атомных часов. В 1967 году решением 12-й Генеральной конференции мер и весов одну секунду определили как продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Такое определение секунды не зависит от астрономических параметров и может воспроизводиться в любой точке планеты. Цезий-133, используемый в эталоне атомных часов, ─ единственный стабильный изотоп цезия со 100-процентной распространенностью на Земле.

Атомные часы используются и в спутниковой системе навигации; они необходимы для определения точного времени и координат спутника. Так, в каждом спутнике системы GPS установлены по четыре комплекта таких часов: два рубидиевых и два цезиевых, которые обеспечивают точность передачи сигнала в 50 наносекунд. На российских спутниках системы ГЛОНАСС тоже установлены цезиевые и рубидиевые атомные приборы измерения времени, а на спутниках разворачивающейся европейской геопозиционной системы Galileo ─ водородные и рубидиевые.

Точность водородных часов ─ самая высокая. Она составляет 0,45 наносекунды за 12 часов. По всей видимости, использование Galileo таких точных часов выведет эту навигационную систему в лидеры уже в 2015 году, когда на орбите будет 18 ее спутников.

Компактные атомные часы

Hewlett-Packard стала первой компанией, которая занялась разработкой компактных атомных часов. В 1964 году ею был создан цезиевый прибор HP 5060A размером с большой чемодан. Компания и дальше развивала это направление, но с 2005 года продала свое подразделение, разрабатывающее атомные часы, компании Symmetricom.

В 2011 году специалисты Лаборатории Дрейпера и Сандийских национальных лабораторий разработали, а компания Symmetricom выпустила первые миниатюрные атомные часы Quantum. На момент выпуска они стоили порядка 15 тысяч долларов, были заключены в герметичный корпус размером 40 на 35 на 11 миллиметров и весили 35 граммов. Потребляемая мощность часов составляла менее 120 милливатт. Первоначально они были разработаны по заказу Пентагона и предназначались для обслуживания навигационных систем, функционирующих независимо от систем GPS, например, глубоко под водой или землей.

Уже в конце 2013 года американская компания Bathys Hawaii представила первые «наручные» атомные часы. В качестве основного компонента в них используется чип SA.45s производства компании Symmetricom. Внутри чипа располагается капсула с цезием-133. В конструкцию часов также входят фотоэлементы и маломощный лазер. Последний обеспечивает нагревание газообразного цезия, в результате чего его атомы начинают переходить с одного энергетического уровня на другой. Измерение времени как раз и производится за счет фиксирования такого перехода. Стоимость нового прибора составляет около 12 тысяч долларов.

Тенденции к миниатюризации, автономности и точности приведут к тому, что уже в недалеком будущем появятся новые устройства с использованием атомных часов во всех сферах человеческой жизни, начиная с космических исследований на орбитальных спутниках и станциях до бытового применениях в комнатных и наручных системах.

подписатьсяОбсудить
00:03 10 июня 2016

Ген, ты чего?

Как редактирование генов изменит облик человечества
Свадьба в БишкекеЗа кражу невест не берут под арест
Почему в Киргизии принято начинать создание семьи с преступления
A man lights a candle by a portrait of Pavel Sheremet surrounded with flowers and candles at a place of his death in Kiev, Ukraine, Wednesday, July 20, 2016. A prominent journalist was killed in a car bombing in Ukraine's capital, Kiev, on Wednesday, sending shockwaves through the Ukrainian journalist community that was shaped by the gruesome killing of the publication's founder 16 years ago. (AP Photo/Sergei Chusavkov)Ищите женщину?
Убийство Павла Шеремета: целенаправленная охота или роковая случайность
Распаднические настроения
С чем останется Украина после интеграции в нее Евросоюза
Как купить мушкет
Где приобретают «старинное» оружие и как из него стреляют
Обыски в офисе Главного следственного управления Следственного комитета РоссииСлед Шакро
Как перестрелка у московского кафе привела к задержанию высокопоставленных чинов
Policemen walking down stairs and securing the area in the underground station Karlsplatz (Stachus) after a shootout in Munich, Germany, 22 July 2016. After a shootout in the Olympia shopping centre in Munich, injuries and possible deaths were reported by the police. The situation is still unclear. PHOTO: ANDREAS GEBERT/dpaКТО стучится в дверь ко мне
Какие выводы стоит сделать из полицейской операции в Мюнхене
Сокрытое в волнах
Сколько ядерных бомб потеряно в Мировом океане
Планета Х напоминает НептунАнтихристы с Нибиру
Как Планета Х наклоняет Солнце и вызывает катаклизмы на Земле
Еще нарожают
Зачем персидская знать торговала телами своих жен
Турецкий бардак
Тайны и прелести Османской империи: фески, котики и шаурма
Рюриковичи мы!
Что скрывается за образом основателя великой Руси
«Она подозревала в нем будущего алкоголика»
Марина Степнова и Александра Боярская читают книгу «Где-то под Гроссето»
Стар? Супер!
Артисты, для которых возраст не имеет значения
The Lady Vanishes'  - Sally Stewart, Margaret Lockwood,       
Alfred Hitchcock and Googie Withers
An English girl on a train from Switzerland befriends an old woman. But when the woman disappears, her fellow passengers deny ever having seen her.
«Он всегда утверждал, что в их браке нет секса»
Жизнь Альфреда Хичкока и Альмы Ревиль в изложении Питера Акройда
«Явись же в наготе моим очам»
Генрих VIII и Анна Болейн, фавориты Елизаветы I в поэзии XVI-XVII веков
Чудаки пришли к успеху
10 самых необычных аккаунтов в Instagram
Потей с Кайлой
Чем автор фитнес-программы Bikini Body Guide привлекла пять миллионов фанатов
Игорь Ротарь на входе в индейскую резервацию. Надпись на плакате: «Незаконно проникающие нарушители будут застрелены. Выжившие будут застрелены еще раз». «Быть застреленным копами тут проще, чем в России»
Рассуждения россиянина, живущего в Сан-Диего, о свободе в США и РФ
«Она определенно сошла с ума»
Мужья любительниц Instagram поделились своей болью
Убить за селфи
История «пакистанской Ким Кардашьян», которую задушил родной брат
Гран-при Венгрии
Онлайн-трансляция самой экваториальной гонки Формулы-1
Советский форсаж
Более 100 раритетов на Красной площади: видеотрансляция
Немаленький домик
Длительный тест MINI Cooper S Clubman: итоги, выводы и три цилиндра
Метры у метро
Московские новостройки, рядом с которыми скоро откроют станции подземки
Тиснули на славу
Как выглядит первое в мире здание, напечатанное на 3D-принтере
Вот это номер!
«Тайный арендатор» в многофункциональном комплексе «Ханой-Москва»
Жить стало веселее
Новая редакция «сталинского рая» на ВДНХ
Любовь по залету
Аэропорты мира, которые не захочется посещать добровольно
Rolling Acres Огайо, СШАЗакрыто навсегда
Как выглядят торговые центры-«призраки», потерявшие покупателей