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 29 сентября 2016

Во всю дурь

Как метамфетамин стал залогом побед гитлеровской Германии
00:01 19 сентября 2016
Готовящаяся к вспышке звезда Эта Киля в центре туманности Гомункул

Яркая смерть

Когда вспышка сверхновой уничтожит жизнь на Земле
Патруль на границеЯдерное обострение
Индия и Пакистан на пути к войне
«Роль России и США в Сирии сильно преувеличивают»
Василий Кузнецов о происходящем в Сирии и других странах Ближнего Востока
U.S. based cleric Fethullah Gulen at his home in Saylorsburg, Pennsylvania, U.S. July 29, 2016. REUTERS/Charles MostollerГидра Гюлена
Кого Эрдоган считает своим главным политическим противником
uly 25, 2016 - Philadelphia, Pennsylvania, U.S - The March For Our Lives heads down Broad St. towards the Democratic National Convention at the Wells Fargo Center. The march is in protest to the nomination of Hillary Clinton at the DNC and is made up of a coalition of Green Party activists, Bernie Sanders supporters, anarchists, socialists, and othersДругой альтернативы нет
Что предлагают независимые кандидаты в президенты США
Цели ясны, задачи поставлены
В Нидерландах определились с тем, где искать виновных в гибели «Боинга»
Узнать за 60 секунд
Как новые технологии видеонаблюдения помогают ловить террористов
Сергей Нарышкин Пятый куратор
Станет ли Сергей Нарышкин последним руководителем СВР
Сотрудники Центра профилактики правонарушений и оперативный отряд «Офицеров России» перекрыли вход в московский Центр фотографии имени братьев Люмьер на фотовыставку «Джок Стерджес. Без смущения».Союз меча и пиара
Чем известны заблокировавшие в Москве выставку Стерджеса «Офицеры России»
Кубок мира. Канада — Европа. Видеотрансляция «Ленты.ру»
Европейцам необходимо побеждать, чтобы сохранить шансы на титул
Rostov's Sardar Azmoun reacts leaving a pithc after the Champions League Group D soccer match between Rostov and PSV Eindhoven, in Rostov-on-Don, Southern Russia, Wednesday, Sept. 28, 2016. (AP Photo/Str)Дон, банан
Какое наказание грозит «Ростову» за расистскую выходку болельщиков
Сэм ЭллардайсСтрасти по четвертой власти
Как журналисты уволили главного тренера футбольной сборной Англии
День за дном
Российские ЦСКА и «Ростов» после второго тура ЛЧ оказались на последних местах
Не хочу учиться
11 показательных фильмов о детской и подростковой сексуальности
Свидетели эпох
В «Гараже» открывается выставка рисунков Гойи и Эйзенштейна
В меру своей испорченности
Общественный резонанс — благо, а не зло
«Люди не видят разницы между порнографией и искусством»
Галеристы и фотографы о закрытии выставки Стерджеса
«Бурлаки прорубили здесь стенку, чтобы достать утопленника»
Алексей Иванов и Екатерина Дементьева читают «Золото бунта»
IBM PC 5150 first PC Success Story the Staff Computers 08 01 THG feature photo Theme Work Work Work square Computer workstation Computer work places Computer work PC Staff Computer Personal Computer Ur PC first Computer Model IBM PC 5150 Calculator for the Desk was at 12 08 1981 on the Market brought from Company Companies Manufacturers IBM will now 20 Years Old twenty Hardware PC Computer Calculator Old New Development Origination Success Story History Legislative history Development history Development Improvement Change Device Machine Technology for Work Office work and Games Game ComputerТолько ретро, только хардкор
Почему люди все еще любят старые компьютеры, приставки Sega и VHS-магнитофоны
В щи за тараканов
Почему съемочную группу «Ревизорро» никогда не перестанут бить
«Тут все решают эти быки в цепях»
Как живут и развлекаются жители румынского «города хакеров»
«Никто не запрещает вам поехать сделать аборт в ДНР»
Как в сети отреагировали на призыв патриарха полностью запретить аборты в России
Показ Tommy Jeans (вторая линия Tommy Hilfiger) для Urban OutfittersРеволюция отменяется?
Почему модные бренды превращаются в «дискотеку 80-х»
Любите их по-французски
Как одеваются в этом сезоне самые модные парижанки
Автохромная фотография. Cartier, Париж, 1923 годБриллианты и базубанды
В Кремле покажут богатства американских миллиардеров
Бэкстейдж показа Simonetta RavizzaГен Италии
ДНК моды формируется в Милане
Рожать нельзя помиловать
Как живет страна, где за аборт можно получить 10 лет тюрьмы
Шедевр под носом
Самые популярные фотографии Instagram за сентябрь
Джентльмен из песочницы
10 ярких поступков детей, поставивших на место знаменитостей и политиков
Богат бедняк мечтами
Фотопроект о реальности и фантазиях бездомных людей
Париж-2016
Репортаж с Парижского моторшоу: день первый
Великий увозитель
Все, что нужно знать о новом Land Rover Discovery, в 27 фотографиях
Лошади на литры
Самые вместительные машины с моторами мощностью 600 л.с. и больше
Народный успех
Как прошел первый сезон в РСКГ победителя третьего сезона «Народного пилота»
Стенка на стенку
Джоконда, покемон и Корлеоне с Чебурашкой — лучшее от уличных художников Москвы
«За годы ожидания мы выдохлись. Живем сейчас где попало»
История покупателей жилья, заселенных в недостроенные дома в Подмосковье
«Мне угрожали, обещали закатать в асфальт»
История валютной ипотечницы, которая прошла оба кризиса и ни о чем не пожалела
Что-то пошло не так
Как выглядят населенные насекомыми города, жизнь без неба и море над головой
Кто купил Америку
Десять человек, которым на самом деле принадлежат земли США