Атомные часы — эталон времени, синхронизирующий нашу жизнь
Наша жизнь заключена в четырех измерениях. И если с тремя из них люди как-то разобрались, заключив все происходящее в объемные пространственные рамки, то с четвертым дело обстоит значительно сложнее. Это загадочное измерение – время. Оно несет магический шлейф, давая человечеству призрачную надежду на подконтрольность. Существуют интересные гипотезы про параллельные миры и гибкость времени, которые закладывают сомнения в его прямолинейность и однозначность. Однако научный мир со скепсисом смотрит на подобные вещи. Гораздо важнее для него стандартизировать четвертое измерение, сделать его осязаемым. На данном этапе для человечества очень важна точность действий. Новейшие технологии и разработки предусматривают глубочайшую синхронизацию и расчет. Это касается и приборов, и эксплуатационных действий. Для этого нам необходим был некий идеальный образец, сравнение с которым и делало бы нашу деятельность такой слаженной. Этот современный эталонный хронометр – атомные часы. Именно такие счетчики времени сделали возможным спутниковую связь и телевидение, работу навигационных систем и многое другое, что не было бы возможным без точнейшей синхронизации.
Как это работает?
Атомные часы – это устройство для измерения времени, где периодические процессы определяются собственными колебаниями на молекулярном и атомном уровне. Атомы вещества постоянно переходят на другой энергетический уровень. Периодичность таких переходов бесконечно близится к постоянной величине. Во время каждого перехода выделяется электромагнитное излучение. Именно константным количеством излучений при смене энергетического уровня и решили охарактеризовать эталонную секунду.
Для корректной работы в атомных часах подходят только устойчивые к внешнему воздействию атомы. Они не должны быть подвержены влиянию электрического, магнитного или электромагнитного полей. Таким критериям соответствует немалый набор веществ: цезий, рубидий, кальций, водород, метан, йод. Все они могут использоваться в сверхточных хронометрах, однако и среди них выделили главный. Им стал цезий, взяв на себя обязанности первичного атомного эталона времени. В 1967 году международная система СИ определила эталонную секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, спровоцированных уровневыми переходами атома цезия-133. С этого времени цезий взял на себя ответственность главного хронометра нашей деятельности.
Атомные часы представляют собой несколько главных составляющих элемента: квантовый дискриминатор, кварцевый генератор, прибор вывода информации, аппарат сравнения показателей. В квантовом дискриминаторе происходят периодичные атомные или молекулярные процессы. Кварцевый генератор – автогенератор, который производит электромагнитные колебания с фиксированной частотой. Имеется возможность тонкой подстройки кварцевого генератора путем внешнего воздействия. В специальном отсеке проводится сравнение показателей автогенератора и квантового дискриминатора. При обнаружении отклонения по частоте или фазе колебаний, система обратной связи подстраивает работу кварцевого генератора. Продукт такой сверхточной и стабильной системы и передается на органы выведения информации.
История и развитие атомных часов
Идею использования переходов атомов между уровнями как сравнительную величину выдвинул физик Уильям Томсон в 1879 году. Однако его умозаключения прилично опередили научный потенциал того времени. В 30-х годах 20 века работники Колумбийского университета предприняли первую попытку собрать атомные часы. В качестве атома-маятника ученые использовали изотоп цезия. Их научные эксперименты бесцеремонно прервала Вторая мировая война. Позже эстафета разработки атомного хронометра перешла к группе разработчиков, возглавляемой Гарольдом Лайонсом. В 1949 году был представлен экспонат атомных часов, которые работали на аммиаке. Их точность пока была не столь ошеломляющей, равняясь на показатели лучших кварцевых резонаторов. Однако эта модель легла в основу дальнейших разработок по улучшению характеристик прибора. В 50-х годах работник Национальной физической лаборатории Великобритании Луи Эссен серьезно сосредоточился на разработке атомного осциллятора, основанного на изотопе цезия. На протяжении четырех лет Эссен сравнивал показания своего прибора с существующими эфемероидными единицами времени. Он провел колоссальную работу по калибровке атомных часов, основываясь на наблюдениях за вращением Луны вокруг Земли. В его распоряжении были передовые технологии наблюдения и измерения величин. В 1958 году его работа дала желанные результаты. Прибор, основанный на атомах цезия, был призван определить стандартную частоту. Позже уникальная точность атомных часов повлияла и на определение эталонной секунды. Разработка Эссена получила наименование NBS-1. С тех пор было проведено ряд модификаций и улучшений. Последняя разработка NIST-7, была создана в 1993 году. Магнитные составляющие прибора заменили лазерные ловушки, позволяя еще больше увеличить точность и стабильность работы. Атомные часы застрахованы от сбоя даже на одну секунду в течение пяти миллиардов лет. А если выборку по времени сделать более приземленной, то точность прибора выглядит просто волшебной.
Что нас ждет в будущем?
Конечно, такой сложный механизм как атомные часы имеет достаточно габаритное исполнение. Но с этим была не согласна компания Hewlett-Packard, специальное подразделение которой разработало компактный вариант атомного хронографа. Эта разработка позволила точность цезия использовать в потребительских целях, что принесло коммерческий успех. Работа по уменьшению габаритов и более массовой доступности непрерывно ведется сотрудниками компании. Их достижения стали катализатором развития различных технологий, которые были невозможны без компактных сверхточных приборов.
Компания Bathys, которая базируется на Гавайских островах, объявила о выпуске наручных атомных часов. Погрешность этого точнейшего аксессуара составит одну секунду на тысячу лет. Модель, получившая логичное название Cesium 133, пока выглядит не достаточно эстетично, но разработчики обещают в будущем сделать наручный атомный хронометр более презентабельным. К 2014 году планируется сделать около 20 экземпляров Cesium 133. Цена такой потребительской научной новинки будет колебаться в пределах 12 тысяч долларов.
Уже сейчас разработаны хронографы, которые в пять раз точнее цезиевых атомных часов. Основой этих приборов является ртутная составляющая. Есть подозрение, что погоня за суперточностью только начинается. И то научное достижение, которое мы восторженно принимаем за эталон, наши предки пренебрежительно переведут в разряд приблизительной величины.
