Что такое атомные часы

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.

Атомные часы на земле и в космосе

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.

Как работают атомные часы???

Принцип работы

Механизм функционирует по таким принципам:

• обычные часы работают за счет маятника, в атомных маятника нет, у них главная деталь — кварцевый генератор;
• при переходе электрона с одного энергетического уровня атома на другой возникают сигналы, так создается электромагнитная волна;
• система очень стабильна за счет частых постоянных колебаний.

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.

Примерно столько лет нашей Вселенной, то есть от момента создания Вселенной до наших дней часы отстали бы всего на секунду.

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:

• водородные. Атомы водорода поддерживаются на необходимом уровне энергетики. Но это не самый надежный вариант, водород быстро растрачивает необходимый энергетический потенциал;
• цезиевые. Функционируют на основе пучков цезия. Сейчас их считают самыми точными и надежными;
• рубидиевые. Самые простые и маленькие.

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:

• первые в мире солнечные часы были сделаны в Древнем Египте;
• атомные часы — самые точные. Они могут быть более или менее точными, в среднем погрешность составляет секунду за шесть миллионов лет;
• секунда — не самая маленькая единица времени, есть еще миллисекунда. В одной секунде тысяча миллисекунд;
• стрелки на часах идут слева направо, потому что так движется тень на солнечных часах;
• до Первой Мировой войны часы носили только женщины, но вскоре мужчины оценили удобство и тоже стали пользоваться таким аксессуаром.

Теперь ты точно знаешь, какие часы самые точные в мире. Это атомные часы на основе цезия.

Источник

Как работают атомные часы?

Когда внезапно отключается свет и чуть позже появляется, как вы узнаете, какое время на часах нужно выставлять? Да, я про электронные часы, которые наверняка у многих из нас есть. Вы хотя бы раз задумывались о том, как регулируется время?

В этой статье мы узнаем все об атомных часах и о том, как они заставляют весь мир тикать.

Радиоактивны ли атомные часы?

Атомные часы показывают время лучше любых других часов. Они показывают время лучше, чем вращение Земли и движение звезд. Без атомных часов GPS-навигация была бы невозможной, Интернет не был бы синхронизирован, а положение планет не было бы известно с достаточной точностью для космических зондов и аппаратов.

Атомные часы не радиоактивны. Они не полагаются на атомный распад. Более того, у них есть пружина, как и у обычных часов.

Самое большое отличие стандартных часов от атомных в том, что колебания в атомных часах происходят в ядре атома между окружающими его электронами. Эти колебания сложно назвать параллелью балансовому колесику в заводных часах, однако оба типа колебания можно использовать для отслеживания уходящего времени. Частота колебаний внутри атома определяется массой ядра, гравитацией и электростатической «пружиной» между положительным зарядом ядра и облаком электронов вокруг него.

Какие типы атомных часов мы знаем?

Сегодня существуют различные типы атомных часов, однако построены они на одних и тех же принципах. Основное различие связано с элементом и средствами обнаружения изменений уровня энергии. Среди разных типов атомных часов существуют следующие:

• Цезиевые атомные часы, использующие пучки атомов цезия. Часы разделяют атомы цезия с разными энергетическими уровнями магнитным полем.
• Водородные атомные часы поддерживают атомы водорода на нужном энергетическом уровне в контейнере, стены которого сделаны из специального материала, поэтому атомы не теряют высокоэнергетическое состояние слишком быстро.
• Рубидиевые атомные часы, самые простые и компактные из всех, используют стеклянную ячейку с рубидиевыми газом.

Самые точные атомные часы сегодняшнего дня используют атом цезия и обычное магнитное поле с детекторами. Кроме того, атомы цезия сдерживаются лазерными лучами, что уменьшает небольшие изменения частоты из-за эффекта Доплера.

Как работают атомные часы на основе цезия?

У атомов есть характерная частота колебаний. Знакомый вам пример частоты — это оранжевое свечение натрия в поваренной соли, если ее бросить в огонь. У атома есть много разных частот, некоторые в радиодиапазоне, некоторые в диапазоне видимого спектра, а некоторые между этими двумя.

Цезий-133 чаще всего выбирают для атомных часов.

Чтобы вызвать резонанс атомов цезия в атомных часах, нужно точно измерить один из переходов или резонансную частоту. Обычно это делается путем блокировки кварцевого генератора в основном микроволновом резонансе атома цезия. Этот сигнал находится в микроволновом диапазоне радиочастотного спектра и обладает той же частотой, что и сигналы спутников прямого вещания.

Инженеры знают, как создать оборудование для этой области спектра, в мельчайших подробностях.

Чтобы создать часы, цезий сначала нагревают так, что атомы выпариваются и проходят через трубу с высоким вакуумом. Сначала они проходят через магнитное поле, которое выбирает атомы с нужным энергетическим состоянием; потом они проходят через интенсивное микроволновое поле.

Частота микроволновой энергии скачет туда-сюда в узком диапазоне частот, так что в определенный момент она достигает частоты 9 192 631 770 герц (Гц, или циклов в секунду). Диапазон микроволнового генератора уже близок к этой частоте, поскольку ее производит точный кварцевый генератор. Когда атом цезия получает микроволновую энергию нужной частоты, он меняет свое энергетическое состояние.

В конце трубки другое магнитное поле отделяет атомы, которые изменили свое энергетическое состояние, если микроволновое поле было нужной частоты. Детектор в конце трубки дает выходной сигнал, пропорциональный количеству атомов цезия, которые в него попадают, и достигает пика, когда микроволновая частота достаточно верна.

Этот пиковый сигнал нужен для корректировки, чтобы привести кварцевый генератор, а значит и микроволновое поле к нужной частоте. Эта заблокированная частота затем делится на 9 192 631 770, чтобы дать знакомый всем один импульс в секунду, нужный реальному миру.

Когда изобрели атомные часы?

В 1945 году профессор физики Колумбийского университета Исидор Раби предложил часы, которые можно сделать на основе техники, разработанной в 1930-х годах. Она называлась атомный пучок магнитного резонанса. К 1949 году Национальное бюро стандартов объявило о создании первых в мире атомных часов на основе молекулы аммиака, колебания которой и считывались, а к 1952 году — создала первые в мире атомные часы на основе атомов цезия, NBS-1.

В 1955 году Национальная физическая лаборатория в Англии построила первые часы на основе пучка цезия в качестве источника калибровки. В течение следующего десятилетия создавались более совершенные часы. В 1967 году в ходе 13 Генеральной конференции по мерам и весам была определена СИ секунды на основе вибраций в атоме цезия.

В мировой системе хронометража не было точнее определения, чем это. NBS-4, самые стабильные в мире цезиевые часы, были завершены в 1968 году и использовались до 1990 года.

В 1999 году NBS, переименованная в NIST, начала работать с часами NIST-F1, точность которых допускала погрешность на одну секунду в 20 миллионов лет.

Как измеряется атомное время?

Правильная частота для резонанса частицы цезия сегодня определена международным соглашением и составляет 9 192 631 770 герц, поэтому при делении выходного сигнала на это число должен получаться 1 Гц, или 1 цикл в секунду.

Атомные часы улучшили точность измерения времени в миллион раз по сравнению с астрономическими методами. На сегодняшний день самый точный атомный хронометр теряет одну секунду в пять миллиардов лет.

Источник

Что такое атомные часы и как они по-новому представляют время?

В 1967 году появились атомные часы. Они определяли время с такой точностью, что ученые смогли высчитать, что Земля вращается все медленнее (на доли секунд!). Но как гарантировать то, что наше время синхронизируется с вращением Земли? Отвечаем на вопрос

Как часто мы обещаем себе в череде важных дел “выделить время” на уборку балкона или встречу с друзьями, которых давно не видели? И каждый раз нашим намерениям мешает нехватка времени. Последнее для ученых из Международной службы вращения Земли МСВЗ — базирующаяся в Париже международная служба оценки параметров вращения и координат Земли.

Ответственна за поддержание всемирного времени, стандартных небесной (ICRS) и земной (ITRS) систем координат. (“Википедия”) больше не проблема. У них есть возможность создавать время (разумеется, с периодичностью)!

В то время как философы и физики продолжают спорить о происхождении времени и его существовании, другие ученые спокойно создают секунды, которые внедряются во временную туманность. И этим они занимаются в течение последних 46 лет. Истоки этого волшебства лежат в основе изобретения атомных часов.

Последних, кстати, в Швейцарии достаточно.

Научное открытие

С античности время определяли, наблюдая за звездами. В течение многих веков одна секунда равнялась 1/86 400 среднего солнечного дня. Таким образом, одно полное прохождение Солнца (два последовательных прохода через зенит) занимает 86 400 секунд.

Эта единица всемирного времени действовала до 1960-х, пока новые открытия не изменили нашу временную систему.

С 1967 году в международной системе единиц СИ было принято определять одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Давным-давно астрономы говорили, что интервал между двумя зенитами непостоянен, исходя из того, что Земля вращается вокруг Солнца не по кругу, а по эллипсу. Более того, угол наклона Земли равен 23,3 градуса относительно уровня ее солнечной орбиты. В результате длина солнечного дня варьируется.

Он может быть короче 4 ноября на 16 минут 23 секунды и длиннее 11 февраля на 14 минут 22 секунды. Знатоки изысканных часовых механизмов признают в этом знаменитое уравнение времени.

Измерение времени атомными часами не зависит от звезд, поэтому ученые сделали потрясающее открытие: они смогли доказать, что вращение Земли замедляется. Этот феномен они объяснили небольшим количеством трений между электромагнитными волнами и вращающейся Землей и тем фактом, что Луна отдаляется от нашей планеты.

Замедление вращения Земли означает увеличение длины дня. Пока что оно незаметно, но, например, сегодня день длиннее на две миллисекунды, чем 100 лет назад. Подобная разница подразумевает периодическую регулировку, которая помогает Всемирному координированному времени Всемирное координированное время (англ. Coordinated Universal Time, фр.

Temps Universel Coordonné; UTC) — стандарт, по которому общество регулирует часы и время. Отличается на целое количество секунд от атомного времени и на дробное количество секунд от всемирного времени UT1. (“Википедия”) быть ближе к среднему солнечному.

Для чего нужны атомные часы?

Дополнительная секунда, как система коррекции времени, была введена в 1972 году. С тех пор было добавлено 27 секунд, последняя — 31 декабря 2016 года. В тот вечер через секунду после 23:59:59 время было не 00:00:00, а 23:59:60.

Дату следующей корректировки невозможно узнать заранее, но она будет осуществлена, когда между всемирным координированным временем и вращением Земли будет нарушена синхронизация более чем на 0,6 секунды.

Разница между Международным атомным временем и Всемирным координированным временем по состоянию на 18 октября 2018 года

Так откуда берется всемирное координированное время? Каждый день Международное бюро мер и весов собирает из Сети информацию 350 атомных часов, находящихся в разных частях света, и высчитывает среднее значение. Это и есть всемирное координированное время, и на него есть спрос.

Например, Google ежедневно отвечает на 7 миллиардов автоматических запросов на синхронизацию компьютерного времени и всемирного. И эта цифра будет увеличиваться, так как количество подключенных устройств быстро растет: прогнозируют, что к 2020 году их будет 20 миллиардов.

Также точное время необходимо в GPS и Galileo. Ведь как работает GPS? Система обеспечивает возможность получения точных координат в любое время суток.

Она основана на том, что в космосе на геоцентрической орбите есть три спутника с атомными часами, точность которых около одной наносекунды. Они измеряют время, которое радиосигнал проходит от спутников до приемника. Таким образом с помощью времени определяются координаты.

Последние окажутся верны, если точные часы на спутниках не будут отставать друг от друга.

По материалам статьи
Переводчик: Анна Йоденис
Корректура: Ксения Сергиенко

Источник