Сверхточные атомные часы
Ученые из Американского Национального института стандартов и технологий (NIST) официально запустили самые точные в мире атомные часы NIST—F2. Исследователи утверждают, что новейшие технологии позволили создать часы, которые не потеряют ни одной секунды времени в течение… 300 миллионов лет!
NIST-F2 ученые называют «новым стандартом времени». По ним будут ориентироваться жители США и ряда других стран. Новые часы работают по принципу их предшественников — часов NIST-F1, которые до недавнего времени официально использовались для точного измерения времени в Америке.
Атомные часы NIST—F1 введены в строй в 1999 году. Их работа основана на принципе «фонтана» цезиевых атомов, который определяет длительность секунды. Пока что с ними работают все хронометрические системы. После переходного периода на новые атомные часы их модернизируют, и они будут использоваться для других целей.
Совершенство механизма новых цезиевых часов NIST-F2 поражает. Точность времени, которое они показывают, в три раза выше от часов предыдущего поколения. Для кого-то эта разница может показаться несущественной, поскольку погрешность может составлять всего лишь одну секунду.
Качества часов определяются двумя основными характеристиками. Первая из них – это стабильность, которая обусловливает скорость изменения хода часов. Она важна для точного измерения временных промежутков. Вторая характеристика – это та самая точность, в которой новые атомные часы опережают все существовавшие ранее и существующие сейчас часовые механизмы.
Серию цезиевых атомных часов Национальный институт стандартов и технологий разрабатывает уже на протяжении более 60 лет. Ученые постоянно стремятся достичь безупречности устройства и потому не устают изобретать что-то новое.
До недавнего времени одними из самых точных часов на свете специалисты называли атомные стронциевые часы JILA. Собственно, это устройство-хронометр также разработка Американского института NIST. По утверждению экспертов JILA, может терять всего лишь одну секунду в пять миллиардов лет. Их даже окрестили «стандартом точности и стабильности». Секрет поведения этих часов до сих пор остается неизвестной величиной. Поэтому эталоном времени для американцев многие годы оставались цезиевые часы NIST—F1.
А вот в качестве эталона для работы систем Международного атомного времени используются цезиевые фонтанные часы NPL-CsF2. Находятся они в Национальной физической лаборатории около Лондона. Однако их точность несравнима с новейшими атомными часами NIST—F2, так как прежде чем они станут ошибаться на одну секунду, может пройти примерно 100 миллионов лет.
NIST-F2 это самый последний усовершенствованный проект. Механизмы для этих часов разрабатывались около 10 лет. Работы проводились совместно с Международным бюро мер и весов, Франция. Создатели NIST-F2 с гордостью заявляют, что эти часы будут самым точным эталоном времени для США.
NIST-F2 работают согласно принципу измерения частоты передвижения атома цезия со скоростью 9 192 631 770 вибраций в секунду. Это и есть принцип измерения секунды. Для нас это запредельные цифры, как и сам часовой атомный механизм.
Стоит отметить, что между двумя часами есть существенная разница. Часы предыдущего поколения NIST-F1 работают при комнатной температуре 27оС. А вот для часов NIST-F2 нужна гораздо более низкая температура – около -193оС. Все дело в том, что такое сильное охлаждение снижает фоновое излучение, сводя к минимуму незначительные отклонения в оценке времени.
Руководитель отдела измерений времени и частот института NIST Томас О’Брайан говорит, что за все время разработки атомных часов с каждым разом им удается создавать все более точные механизмы. Благодаря этому открываются новые области для их использования.
Сигналы точного времени атомных часов применяются во многих технологиях. Среди них и синхронизация работы глобальных локальных энергетических сетей, которые доставляют энергию в дома. А также работа компьютерных сетей и спутниковых систем, таких как навигация GPS. Со временем все хронометрические системы и устройства специалисты переведут на использование атомных часов NIST-F2.
