Что такое атомные и ядерные часы
В привычных механических или кварцевых часах точность зависит от колебаний маятника или кристалла. Атомные же используют колебания частиц. Они работают на основе стабильной частоты излучения или поглощения энергии электронами атомов. Погрешность таких часов достигает лишь 1 секунду за сотни миллионов лет.
Будущее же творение ученых — ядерные часы — обещает похвастаться гораздо большей точностью. Устройство фиксирует переходы внутри ядра атома — среди протонов и нейтронов. Они менее подвержены воздействию внешних факторов, например, электромагнитных полей. За основу исследователи взяли торий-229. В сентябре 2024 года они впервые зафиксировали ядерный переход атомов тория-229 и рассчитали частоту, вызвавшую его.
О точных сроках изобретения ядерных часов говорить пока рано. Однако недавний успех в исследованиях стал первым серьезным шагом к их созданию. Ученые не исключают, что первые ядерные часы появятся уже в ближайшие 2−3 года, однако в России первые экспериментальные образцы создадут только к 2030–2032 году.
Как создали атомные часы
Идея измерения времени при помощи колебаний атомов водорода в 1879 году пришла в голову английскому физику Уильяму Томпсону, лорду Кельвину. Но технический прогресс того времени еще не достиг таких высот. Только в 1930-х американский физик Исидор Айзек Раби разработал метод магнитного резонанса, с помощью которого измеряют частоту колебаний атомов и молекул. Именно этот принцип лежит в основе атомных часов.
Задумку Томпсона наконец осуществили в 1948 году. Первые атомные часы создала группа ученых под руководством Гарольда Лайонса в Национальном бюро стандартов США. Официально изобретение представили общественности в январе 1949-го. Эти часы использовали молекулы аммиака для измерения времени. Они значительно уступали в точности появившимся позже устройствам. Зато изобретение доказало, что концепция атомных часов осуществима.
А в 1955 году английские физики Луи Эссен и Джек Парри из Национальной физической лаборатории Великобритании представили часы на основе атомов цезия-133. Это устройство отстает или спешит на 1 секунду раз в 100 млн лет. Для сравнения: механические и кварцевые часы работают с точностью ±15 секунд в месяц.
Как работают атомные часы
Атомы состоят из ядра и окружающих его электронов. Последние могут переходить на разные энергетические уровни. Это происходит скачкообразно и без промежуточных состояний — будто прыжки по ступенькам. Если электроны поглощают энергию, то переходят на более высокий уровень. Как бы поднимаются на одну ступеньку. А когда излучают энергию — возвращаются на энергетический уровень ниже. То есть спускаются на ступень. Этот процесс называется квантовым переходом.
При своих «прыжках» электроны поглощают и выделяют электромагнитное излучение. У него есть уникальная для каждого элемента частота — число колебаний в секунду, измеряемое в герцах. Она очень стабильна, потому что все существующие атомы одного элемента излучают одинаковую частоту при квантовом переходе. Так, у атома цезия-133 ее значение равно 9 192 631 770 колебаний в секунду. Именно время, за которое они происходят, с 1967 года определяет в международной системе единиц измерения СИ промежуток секунды.
Цезиевые атомные часы состоят из вакуумной камеры, тоннелей для атомов, магнитных фильтров, микроволнового генератора и детектора, регулирующего его частоту. В начале работы атомы цезия-133 нагреваются. После их поток направляется по тоннелям в вакуумную камеру, проходя через первый магнитный фильтр. Он сортирует атомы на две группы: с высокой и низкой энергией. Для дальнейших измерений отбираются только последние — они стабильнее.
Дальше «избранные» попадают в вакуумную камеру. Там генератор облучает атомы цезия-133 магнитными волнами резонансной для них частоты — 9 192 631 770 колебаний в секунду. Именно при такой частоте максимальное количество электронов атомов совершает квантовые переходы между энергетическими уровнями. Дальше частицы проходят через второй магнитный фильтр, пропускающий только те, что изменили свое энергетическое состояние. После этого они попадают на детектор, который подсчитывает их количество. Затем он создает электрический сигнал и отправляет его генератору — так поддерживается его работа.
Если процент совершивших квантовый переход слишком мал, генератор регулирует частоту своего излучения. Таким образом она постоянно подстраивается, чтобы оставаться резонансной частоте колебаний цезия-133. Эта стабильная частота делится электроникой часов на 9 192 631 770, и результатом деления становится сигнал, который отсчитывает одну секунду. Процесс идет непрерывно, обеспечивая невероятную точность измерения времени, поскольку частота квантовых переходов атомов цезия неизменна.
Для чего нужны такие точные и сложные часы?
Атомные часы используются в научных исследованиях, GPS-системах, телекоммуникациях, астрономии. И даже интернет работает благодаря поддержке этих устройств — многие его системы зависят от точной синхронизации времени.
Однако в повседневной жизни такие высокие стандарты не нужны. Точности обычных кварцевых часов вполне достаточно для большинства людей, а атомные требуют сложного обслуживания и высоких затрат. Поэтому они так и останутся игрушкой для ученых, применяемой в специфических областях науки и техники, где нужна максимальная точность.
