Где находятся атомные часы

Который атомный час? Как работает самый точный и малопонятный прибор для измерения времени

70 лет назад физики впервые изобрели атомные часы — самый точный на сегодняшний день прибор для измерения времени. С тех пор устройство прошло путь от концепта размером с целую комнату до микроскопического чипа, который можно встроить в носимые устройства. «Хайтек» объясняет, как работают атомные часы, чем отличаются от привычных нам приборов для измерения времени и почему они вряд ли станут массовым явлением.

Читайте «Хайтек» в

Начнем с простого: что такое атомные часы?

Это не так уж просто! Для начала разберемся, как работают привычные нам инструменты для измерения времени — кварцевые и электронные хронометры.

Часы, которые могут измерять секунды, состоят из двух компонентов:

• Физическое действие, которое повторяется определенное количество раз в секунду.

• Счетчик, который сигнализирует, что секунда прошла, когда происходит определенное количество действий.

В кварцевых и электронных часах физическое действие происходит в кристалле кварца определенного размера, который сжимается и разжимается под воздействием электрического тока с частотой 32 768 Гц. Как только кристалл совершает это количество колебаний, часовой механизм получает электрический импульс и поворачивает стрелку — так работает счетчик.

Как работают атомные часы???

В атомных часах процесс происходит иначе. Счетчик фиксирует микроволновый сигнал, испускаемый электронами в атомах при изменении уровня энергии. Когда атомы щелочных и щелочноземельных металлов вибрируют определенное количество раз, прибор принимает это значение за секунду.

Показания цезиевых атомных часов лежат в основе современного определения секунды в международной системе единиц измерения СИ. Она определяется как промежуток времени, в течение которого атом цезия-133 (133Cs) совершает 9 192 631 770 переходов.

Атомные часы и правда очень точные?

Да! Например, механические кварцевые часы работают с точностью ±15 секунд в месяц. Когда кварцевый кристалл вибрирует, он теряет энергию, замедляется и теряет время (чаще всего такие часы спешат). Подводить такие часы нужно примерно два раза в год.

Кроме того, со временем кристалл кварца изнашивается и часы начинают спешить. Такие измерительные приборы не отвечают требованиям ученых, которым необходимо делить секунды на тысячи, миллионы или миллиарды частей. Механические компоненты нельзя заставить двигаться с такой скоростью, а если бы это удалось сделать, их компоненты изнашивались бы крайне быстро.

Цезиевые часы отклонятся на одну секунду за 138 млн лет. Однако точность таких измерительных приборов постоянно растет — на данный момент рекорд принадлежит атомным часам с точностью около 10 в степени –17, что означает накопление ошибки в одну секунду за несколько сот миллионов лет.

Раз в атомных часах используются цезий и стронций, они радиоактивны?

Нет, радиоактивность атомных часов — это миф. Эти измерительные приборы не полагаются на ядерный распад: как и в обычных часах, в них присутствует пружина (только электростатическая) и даже кристалл кварца. Однако колебания в них происходят не в кристалле, а в ядре атома между окружающими его электронами.

Ничего не понимаем! Как же тогда работают атомные часы?

Расскажем о самых стабильных, цезиевых часах. Измерительный прибор состоит из радиоактивной камеры, кварцевого генератора, детектора, нескольких тоннелей для атомов цезия и магнитных фильтров, которые сортируют атомы низкой и высокой энергии.

Прежде чем попасть в тоннели, хлорид цезия нагревается. Это создает газовый поток ионов цезия, которые затем проходят через фильтр — магнитное поле. Оно разделяет атомы на два подпотока: с высокой и низкой энергией.

Низкоэнергетичный поток атомов цезия проходит через радиационную камеру, где происходит облучение с частотой 9 192 631 770 циклов в секунду. Это значение совпадает с резонансной частотой атомов цезия и заставляет их изменить энергетическое состояние.

Следующий фильтр отделяет низкоэнергетичные атомы от высокоэнергетичных — последние остаются в случае, если произошло смещение частоты излучения. Чем ближе частота облучения к резонансной частоте атомов, тем больше атомов станут высокоэнергетическими и попадут на детектор, который преобразует их в электричество. Ток необходим для работы кварцевого генератора — он отвечает за длину волны в радиационной камере, — а значит за то, чтобы цикл повторился вновь.

Предположим, кварцевый генератор теряет свою энергию. Как только это происходит, излучение в камере ослабевает. Следовательно, количество атомов цезия, переходящих в состояние высокой энергии, падает. Это дает сигнал резервной электрической цепи отключить генератор и скорректировать период колебаний, тем самым фиксируя частоту в очень узком диапазоне. Затем эта фиксированная частота делится на 9 192 631 770, что приводит к формированию импульса, отсчитывающего секунду.

Если атомные часы тоже зависят от кварцевого кристалла, в чем тогда прорыв?

Действительно, кварцевый генератор — самое слабое место цезиевых атомных часов. С момента создания первого такого измерительного прибора исследователи ищут способ отказаться от компонента — в том числе за счет экспериментов с различными щелочными и щелочноземельными металлами, помимо цезия.

Например, в конце 2017 года ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) создали в качестве основы для атомных часов трехмерную решетку из 3 тыс. атомов стронция.

Исследователям удалось доказать, что увеличение числа атомов в решетке приводит к увеличению точности часов, а при максимальном количестве атомов точность составила погрешность в одну секунду за 15 млрд лет (примерно столько прошло со времен Большого взрыва).

Но стабильность работы стронциевых часов еще предстоит проверить — сделать это можно только со временем. Пока ученые берут за основу для измерений показания цезиевых атомных часов с кварцевым кристаллом внутри.

Ясно! Значит, скоро атомные часы станут обычным делом?

Маловероятно. Проблема заключается в том, что точность атомных часов регулируется принципом неопределенности Гейзенберга. Чем выше точность частоты излучения, тем выше фазовый шум, и наоборот. Повышение фазового шума означает, что необходимо усреднить множество циклов для достижения необходимого уровня точности частоты. Это делает разработку и поддержание работоспособности атомных часов довольно дорогими для массового использования.

Сейчас атомные часы установлены на базовых станциях мобильной связи и в сервисах точного времени. Без них была бы невозможна работа навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС), в которых расстояние до точки определяется по времени приема сигнала от спутников. Кварцевые кристаллы являются доминирующим решением. Даже в дорогостоящем испытательном оборудовании, таком как осциллограф серии Keysight UXR1104A Infiniium UXR: 110 ГГц, четыре канала (цена не указана, но она находится в диапазоне $1 млн) используют стабилизированные в печи кристаллы кварца для эталонов, стабильных во времени.

Однако в большинстве случаев использование простого кварцевого кристалла будет дешевле и эффективнее, — потому что кварц имеет гораздо лучшее соотношение точности частоты к фазовому шуму. Поэтому атомные часы необходимы только в случае, когда нужно иметь заданную точность частоты в течение продолжительного времени — десятков и сотен лет. Такие случаи крайне редки — и вряд ли действительно необходимы обычному человеку, а не ученому.

Источник

Атомное время — что это, зачем нужно и где используется?

Международное атомное время (TAI — Temps Atomique International) — это время, в основе которого находятся электромагнитные колебания, излучаемые атомами или молекулами во время перехода из одного энергетического состояния в другое.

Атомная шкала времени появилась в 1955 году — именно тогда ученые открыли сверхстабильные эталоны частоты, основанные на квантовых переходах между энергетическими уровнями атомов и молекул.

Атомные часы — это физическое воспроизведение шкалы ET (эфемеридное время). Масштаб TAI равен масштабу эфемеридного времени. Точность воспроизведения времени — до 2*10 в минус двенадцатой степени. В 1967 году XIII Генеральная конференция мер и весов приравняла 1 атомную секунду продолжительности 9 192 631 770 периодов излучения. Это соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями состояния атома цезия-133.

У атомного времени нет ни вековых, ни суточных колебаний. Оно не стареет и обладает достаточной точностью, определенностью и воспроизводимостью.

Как работают атомные часы?

Банально, но атомное время используется в атомных часах. Принцип их работы заключается в следующем — часы получают электрический импульс, что выводит колебательную систему из состояние равновесия.

В атомных часах есть небольшая частица кварца, атомы которого колеблются со скорость 5 000 000 колебаний за секунду. Один импульс подобного масштаба позволяет с точностью до одной секунды считать время на протяжении долго периода — около 90 000 лет.

Чтобы атомные часы считали время еще точнее, импульсы нужно обновлять. Затухание кварцевых часов определяет цезий — когда колебания прекращаются, цезий сразу дает сигнал для нового электрического импульса. По этой причине атомные часы никогда не отстают.

Такая точность во времени нужна по нескольким причинам, и одна из них — GPS-навигация. Она состоит из спутников, которые вращаются вокруг Земли. Например, смартфон использует четыре спутника — таким образом, устройство определяет точное местоположение владельца. Один спутник показывает местоположение гаджета, а три других считают время, за которое сигнал доходит до устройства. Благодаря высокой точности атомных часов, спутники могут идеально определять местоположение.

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

Самые точные часы в мире находятся в Подмосковье

В Солнечногорском районе в поселке Менделеево за высоким массивным забором расположились здания Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических измерений. В одном из них ученые следят за временем. Во всех смыслах. Официально должность ученого так и звучит — хранитель времени. Уже полвека он следит, чтобы главные часы в стране шли точно до наносекунды.

Собственно часы расположены в соседних помещениях на этом этаже и этажом выше, а сюда приходят их сигналы — Николай Кошеляевский, начальник лаборатории № 713 Главного метрологического центра Государственной службы времени и частоты РФ.

16 сигналов от 16 часов сравнивают между собой в этой комнате. И таким образом контролируют их ход. Отставание на одну миллиардную тут же становится явным.

А вот так выглядят сами часы, водородные, высокотехнологичные — разработка российских ученых, аналогов которой в мире нет. На данный момент это самые точные часы на планете Земля.

За последние 5 месяцев мы самые-самые, мы показали самые лучшие результаты по сравнению с другими эталонами, по оценке из Франции — Сергей Донченко, генеральный директор ФГУП «ВНИИФТРИ».

Международное бюро мер и весов, расположенное в предместье Парижа — то место, куда ученые всех стран каждый день отправляют данные о времени. Американцы, немцы, сами французы и все остальные. Страны сверяются друг с другом и определяют самые точные показания.

То время, которое мы формируем здесь в лаборатории, мы передаем в систему ГЛОНАСС, а они на спутник, после чего оно распространяется — Игорь Блинов, заместитель генерального директора ФГУП «ВНИИФТРИ».

От точности времени зависят навигация, система координат, например, вашего автомобиля. И если спортсмену на Олимпиаде важна каждая сотая секунды, спутниковой системе ГЛОНАСС нужны данные вплоть до миллиардной доли, то же самое касается сотовой связи. Рассинхрон по времени может привести к коллапсу.

Если что-то случится с навигационными системами, то сотовая связь пропадет примерно через сутки, потому что все часы и все стандарты разбегутся, и мы не сможем связаться с потребителями — Сергей Донченко, генеральный директор ФГУП «ВНИИФТРИ».

Именно поэтому операторы сотой связи, банки, энергетики, аэропорты, вокзалы и логистические компании сверяют свои часы с эталоном времени и звонят во Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, который расположен в Московской области. В день поступает до 150 миллионов запросов.

Источник