Зачем нужны атомные часы

В 1967 году появились атомные часы. Они определяли время с такой точностью, что ученые смогли высчитать, что Земля вращается все медленнее.

Сверим атомные часы: зачем науке будущего нужно так точно измерять время

Атомные часы — это сверхточные инструмент измерения времени, который сегодня имеет ничтожную погрешность в секунду на несколько миллиардов лет. Такой механизм не носят на руке, чтобы не опоздать на работу, а используют для того, чтобы вычислять огромные расстояния между планетами, при отображении глобальных карт и даже для того, чтобы измерить искажение пространства-времени. Подробнее о том, почему наука не может обойтись без атомных часов.

Читайте «Хайтек» в

Как атомные часы измеряют время

В конструкции атомных часов есть кварцевый кристалл: он сжимается и разжимается, именно этот процесс заставляет часы работать. Этот процесс контролируют колебания внутри атома. Эти колебания — периодические переходы между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах.

Чтобы понять, как это работает, нужно вспомнить строение атома. В центре есть ядро, которое заряжено положительно: вокруг находятся заряженные отрицательно электроны, каждый на своей орбите. При этом каждый из них находится на конкретном энергетическом уровне, то есть имеет то или иное количество энергии за счет притяжения к ядру.

Как работают атомные часы???

Этот уровень можно изменить, если послать электрону большее количество энергии, для этого можно, например, нагреть атом. Потом электрон снова вернется на свой уровень и отдаст излишки в виде излучения. Вот на этом излучении все и построено: оно имеет определенную частоту и напоминает маятник в часах.

Сегодня атомные часы могут работать на атомах рубидия, стронция, водорода: принцип от этого не меняется.

Конструкцию атомных часов постоянно улучшают, например, был изобретен механизм, который отстает на одну секунду раз в несколько сотен миллиардов лет.

Без атомных часов не будет навигации на Земле и в космосе

Атомные часы нужны в первую для навигации: ГЛОНАСС и GPS, так как эти системы определяют расстояние по времени, за которое сигнал проходит от точки на Земле до спутника и обратно. Часы используют для измерения расстояния между объектами исходя из замеров, сколько времени требуется сигналу для перемещения из точки A в точку Б.

В настоящее время для навигации, чтобы точно определить местоположение космического корабля, используются атомные часы на Земле размером с холодильник.

Может пройти больше часа, пока сигнал дойдет до космического корабля и вернется на Землю.

По этим данным вычисляются координаты и инструкции: их отправляют обратно на космический корабль.

Если на борту космического корабля будут собственные часы, то он сможет сам рассчитывать свою траекторию. Это позволит путешествовать дальше и безопасно транспортировать людей на другие планеты.

Узнать расстояние между планетами с помощью атомных часов

Но основной заказчик атомных часов — астрономы. Они используют атомные часы, чтобы измерять огромные расстояния в космосе и определять, сколько нас отделяет от определенной планеты или астероида.

Для этого они посылают сигнал и фиксируют время его возвращения. Если погрешность будет хоть на секунду, то можно потерять примерно триста тысяч километров в точности.

Как атомные часы помогут найти темную материю

Темная материя может воздействовать на нашу обычную материю и у этого должны быть последствия. Одним из них может быть изменение постоянной тонкой структуры, одной из фундаментальных физических констант.

Постоянная тонкой структуры — это отношение скорости вращения электрона на первой орбитали к скорости света, и она равна примерно 0,007.

Ученые ранее считали, что эта константа всегда равна одной и той же величине, но, как показали недавние открытия она может незначительно меняться.

По одной из теорий, темная материя — это топологические дефекты пространства, возникшие во время Большого взрыва. Они могут повлиять на постоянную.

Ученые использовали несколько атомных часов, так как дефекты топологии должны действовать на отдаленные предметы в пространстве по-разному должны действовать на разные часы, разнесенные в пространстве.

Для того, чтобы повысить точность, авторы объединили часы для повышения точности в сеть из четырех устройств, каждое находилось в одной из стран: в Польше, США, Японии и Франции. Данные от всех устройств сводятся вместе, чтобы анализировать топологические эффекты.

Сверхточные атомные часы смогут измерить искажение пространства-времени

Ученые уверены, что достаточно точные атомные часы могут служить инструментом, измеряющим, как объекты за счет гравитации искажают окружающее пространство.

Физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере использовали лазеры и создали импровизированную ловушку для атомов: она выглядела как несколько очень маленьких чашек.

Тысячи атомов иттербия заполняют эти чашки, если воздействовать на них лазерным лучом правильной частоты,а электроны на орбите совершат переход на один энергетический уровень.

В такой системе электроны будут делать более квадриллиона переходов. Как только лазер настроен на «идеальную» частоту, начинается перевод информации из частоты лазерного излучения в сигнал, который может принять и расшифровать электронное устройство, то есть те самые часы.

Ученые смогли настроить лазер так, что теперь полученные данные помогут определить влияние гравитации на само пространство-время.

Атомные часы — это важный инструмент измерения такой эфемерной величины как время. Без него не получится отследить малейшие изменения в земном времени или измерить расстояние до соседних планет и галактик.

А в будущем атомные часы станут незаменимы при колонизации планет и изучении темной материи.

Атомные часы — это сверхточные инструмент измерения времени, который сегодня имеет ничтожную погрешность в секунду на несколько миллиардов лет. Такой механизм не носят на руке, чтобы не опоздать на работу, а используют для того, чтобы вычислять огромные расстояния между планетами, при отображении глобальных карт и даже для того, чтобы измерить искажение пространства-времени. Подробнее о том, почему наука не может обойтись без атомных часов. Точные атомные часы. Как атомные часы измеряют время? В конструкции атомных часов есть кварцевый кристалл: он сжимается и разжимается, именно этот процесс заставляет часы работать. Этот процесс контролируют колебания внутри атома.

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

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?

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.

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.

Как работают атомные часы и можно ли поставить их дома

Атомные часы – самые точные в мире, они используются в работе космических станций, для вождения судов и в навигационных системах. Но можно ли установить дома сверхточный атомный будильник?

В основе измерения времени атомными часами лежит периодичность колебаний электронов в атоме. Эталоном точности считаются колебания в атомах цезия-133, по ним определяется длительность секунды – это 9 192 631 770 колебаний при абсолютном нуле и отсутствии внешних воздействий.

Главное достоинство атомных часов в том, что они не отстают и не убегают. Для того, чтобы показания отклонились на 1 секунду, потребуется от 30 миллионов до 15 миллиардов лет. Именно высокая точность позволяет использовать атомные часы в навигационных системах (в том числе GPS, ГЛОНАСС, Galileo), в которых расстояние определяется по времени приема сигнала со спутника. Применяются атомные часы в работе космических кораблей, морских судов и подводных лодок, на базовых станциях сотовой связи, а также в научных экспериментах, например, для проверки теорий времени.

Почему мы все не пользуемся такими точными часами? Дело в том, что атомные часы – громоздкое, сложное и дорогостоящее устройство, включающее в себя систему охлаждения до абсолютного нуля (–273,15 ⁰С). Первые подобные часы были построены в 1952 году в США, а сейчас ими оснащено несколько центров эталонного времени по всему миру.

Часы NIST в Боулдере, Колорадо на основе атомов иттербия считаются одними из самых точных даже среди атомных часов. Изображение: Burrus/NIST

Тем не менее, существуют так называемые атомные часы для дома и даже наручные устройства. Конечно, в них нет изотопов цезия и системы охлаждения. Высокая точность обеспечивается за счёт радиосинхронизации с центрами эталонного времени. Например, в США для работы домашних атомных часов используются часы в Боулдере (Колорадо), передающие сигналы точного времени на частоте 66 кГц. По радиочастотам устройства получают двоичный код, который устанавливает на них точное время и при необходимости корректирует его.

В России атомные часы также продаются и работают, но для синхронизации они используют передатчик DCF77 в Майнфлингене (Германия), транслирующий сигналы на частоте 77,5 кГц. И хотя сверхдлинные волны преодолевают большие расстояния, фактически синхронизация домашних атомных часов возможна только на европейской части России. Причём по отзывам пользователей, чтобы поймать радиосвязь, нужно выставить часы на окно, выходящее на запад и по возможности задействовать какой-нибудь металлический предмет как усилитель сигнала. В ход идут чайники, термосы, батареи центрального отопления и даже газовые баллоны.

В регионах, где такая синхронизация в принципе невозможна, атомные часы подводят вручную, как обычные кварцевые. Для этого используется любой сайт с точным атомным временем (самый известный – Time.is). Кстати, там же можно сверить часы на электронных гаджетах, хотя особой необходимости в этом нет: любое устройство с подключением к сети устанавливает время по атомным часам.

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? 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. Стронциевые атомные часы с оптической решёткой.