Мир современного человека зависит от ультраточного определения времени и основывается на квантовых, или точнее, атомных часах. Эти сложные устройства позволяют использовать процессы, происходящие внутри атомов — крошечных строительных блоках материи, для отсчета миллионных долей миллисекунд. Но как же работают так называемые атомные часы, и как мы используем крошечные составляющие Вселенной, чтобы определять по ним точное время?
Зачем нужны атомные часы для ультраточного измерения времени
Если вы сегодня проверили время на своем телефоне, компьютере или умных часах, использовали GPS для поиска нового кафе в вашем городе, вы фактически синхронизировались с ровными, неизменными «биениями» внутри атомов. Если вы летели на самолете, атомные часы помогли вам безопасно добраться до места назначения. Если вы купили или продали акции, эта транзакция также была отмечена атомным временем. Если вы звонили маме, коллеге или другу, искали в интернете нужную информацию, то вы подключились к сетям, работа которых синхронизируется атомами.
Принцип работы атомных часов простыми словами
Любые часы в мире состоят из двух компонентов: механизма, который колеблется или «тикает» с постоянным ритмом, и устройства, которое подсчитывает эти ритмы и отображает время.
На протяжении большей части истории человечества колебания осуществляли предметы, созданные мастером-часовщиком. Все знают качающийся маятник старинных напольных часов. А внутри наручных электронно-механических часов были кварцевые кристаллы, колеблющиеся за счет пьезоэлектрического эффекта. Подобный кристалл есть и в любом современном ноутбуке.
Проблема в том, что на Земле нет двух совершенно одинаковых маятников или кристаллов. Если говорить простыми словами, часы, созданные человеком, никогда не будут стабильны, а потому и не могут быть идеально синхронизированы между собой. Однако измерение ими времени, пусть и весьма приблизительно, было достаточным в течение многих лет для применения такой технологии человеком.
Атомные же часы для определения секунды полагаются на постоянные частоты колебаний атомов, которые определяются законами природы, а потому не могут отличаться в двух разных атомах. Как только люди научились достаточно хорошо определять состояния атомов, наше представление о точном времени поменялось. В результате современное определение секунды звучит следующим образом:
Международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе атома цезия-133 между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния.
Проще говоря: одна секунда – это 9 192 631 770 «биения» атома цезия, а точнее, его изотопа-133. Это определенный атом цезия, в ядре которого находится 55 протонов и 78 нейтронов. Этот изотоп цезия в отличие от многих его «собратьев» стабилен, то есть он не подвержен радиоактивному распаду и часто встречается в природе. Важное уточнение: изотоп цезия должен находиться в состоянии почти полного покоя, для этого его с помощью лазеров охлаждают почти до абсолютного нуля (минус 273°C). Такое сильное охлаждение позволяет атому не «отвлекаться» на внешние воздействия.
Как определяются «тики» в атомных часах?
Как же определить «биения», или колебания, атома цезия? Для этого создаются сложные установки, состоящие из множества дорогостоящих компонентов.
Что же собой представляют колебания атома? Атомы поглощают и испускают световые волны определенных частот (разная частота определяет, к примеру, разный цвет света). Волны света, направленные на атом, заставляют его переходить из одного состояния в другое (перемещаться между теми самыми «сверхтонкими уровнями основного состояния»). Настраивая частоту падающего на атом света в соответствии с так называемой резонансной частотой, инженеры заставляют атом этот свет поглощать и переходить между уровнями.
Простая аналогия: если толкать ребенка, сидящего на качелях, невпопад, то он не будет раскачиваться и подниматься все выше и выше. Если же взрослый (или сам ребенок) понял, с какой частотой нужно толкать сиденье качелей, чтобы постепенно набирать высоту при раскачивании, то есть попал в резонансную частоту качелей, то он очень быстро начнет подниматься высоко над землей.
Из чего состоят атомные часы: ключевые компоненты и их функции
Основные составляющие устройства, отвечающего за ультраточное определение времени:
• квантовый дискриминатор (те самые атомы со стабильными колебаниями даже на очень больших отрезках времени)
• кварцевый генератор (кварцевый кристалл, который немного «сбивается» в долгосрочной перспективе)
• комплекс электроники (управляет всей системой, фиксирует количество переходов, определяет точность атомных часов)
Ученые разных стран продолжают совершенствовать технологию атомных часов. Так, в Китае не так давно были созданы портативные атомные часы. В России исследованиями в этой области занимаются эксперты Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН), Института лазерной физики СО АН РАН, Сколтеха и Российского квантового центра.
Типы атомных часов: какие бывают и чем отличаются
Существует несколько основных типов атомных часов, отличающихся атомами внутри них:
• Цезиевые атомные часы — эталонные. Используются в спутниках и в научных лабораториях.
• Рубидиевые — компактнее и дешевле, но менее точны. Подходят для мобильных станций.
• Водородные мазеры — стабильнее на коротких отрезках времени. Чаще всего используются в радиоастрономии.
• Иттербиевые или стронциевые — точнее цезиевых на несколько порядков, но требуют более сложного оборудования.
• Ртутные — создают стабильный видимый свет, стабильность в несколько раз выше, чем у цезия-133 с его микроволновым излучением.
Также активно ведутся разработки компактных версий атомных часов и ядерные часы. Но об этом чуть позже.
Какие преимущества имеют атомные часы перед классическими системами отсчета времени
Насколько нам сейчас известно, частоты колебания атомов представляют собой самые чистые, самые стабильные ритмы во Вселенной. Даже в соседней галактике можно измерять время с той же точностью. Однако для точного измерения атома его нужно отделить от «собратьев».
| Свойство | Пояснение |
|---|---|
| Точность | Атомные часы работают на микроволновых, или оптических частотах. То есть «тики» происходят чаще, чем колебания в кварцевых или механических часах. Это улучшает точность часов. Современные атомные часы «теряют» менее 1 секунды каждые 300 миллионов лет. |
| Стабильность | Колебания атомов не зависят от температуры, давления и других факторов окружающей среды, которые влияют на механические или кварцевые генераторы. |
| Универсальность | Атомные часы основаны на собственных частотах колебаний атомов, которые являются универсальными константами для всех атомов. |
Как применяются атомные часы
Атомные часы достигают непревзойденной точности, позволяя человечеству использовать такие технологии как спутниковая навигация, проводить с высокой точностью и достоверностью научные исследования и так далее.
| Применение | Пояснение |
|---|---|
| Всемирное координирование времени | 450 атомных часов по всему миру участвуют в определении международного атомного времени (TAI). Это один из стандартов, используемых для определения всемирного координированного времени (UTC) и местного времени по всему миру. |
| Навигационные системы на Земле | Системы ГЛОНАСС, BeiDou, GPS и Galileo полагаются на атомные часы для обеспечения высочайшей точности позиционирования объекта на Земле. Ведь даже ошибка в 1 наносекунду приводит к позиционному расхождению в примерно 30 см. |
| Навигация в космосе | Чтобы определить расстояние между космическим аппаратом и Землей, навигационные системы посылают сигнал кораблю, который затем возвращает его на планету. Время, необходимое сигналу для этого путешествия туда и обратно, определяет расстояние от аппарата до Земли. Ведь сигнал распространяется с известной скоростью света. |
| Навигация на других планетах Солнечной системы | Флот спутников на орбите других планет позволит создать аналог GPS на Марсе и не только. Такая система поможет космонавтам и роботам ориентироваться на поверхности других миров. |
| Финансовые операции | Каждая финансовая транзакция помечена датой и временем с точностью до микросекунд или даже больше. Это необходимо для отслеживания и аудита. |
| Работа интернета | Атомные часы в разных странах синхронизируют передачу данных между серверами. |
| Научные исследования | Ученые предлагают использовать атомные часы для обнаружения различных гравитационных аномалий и, к примеру, для поиска темной материи. Дело в том, что гравитация влияет на «ход времени» в атомных часах. |
А что дальше?
Исследователи и инженеры сегодня разрабатывают устройства, которые будут еще точнее, чем существующие атомные часы.
Оптические атомные часы будут полагаться на видимый свет для измерения «биений» атомов. Резонансная частота такого излучения примерно в 50 тысяч раз выше, чем у микроволнового излучения. То есть измерения станут еще точнее: ожидаемое отклонение оптических часов составит 1 секунду за 15 миллиардов лет. Получается, за все время жизни Вселенной такие часы «отстанут» всего на одну секунду.
Таким образом, измерение времени с помощью атомных часов — это основа прогресса и технологий будущего. Благодаря им мы будем и далее познавать наш мир.