А́томные часы́ ( молекулярные , квантовые часы ) — прибор для измерения времени , в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул .

Атомные часы важны в навигации . Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи ( GPS , ГЛОНАСС , Galileo ) невозможны без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени , которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения , возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 . Согласно этому определению, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени и частоты . Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, вольт или метр , содержащих секунду в своём определении.

Стабильность атомных часов ${\displaystyle \Delta \nu /\nu }$ (где ${\displaystyle \Delta \nu }$ — отклонение частоты ${\displaystyle \nu }$ часов за некоторый период времени) обычно лежит в пределах 10 ⁻¹⁴ —10 ⁻¹⁵ , а в специальных конструкциях достигает 10 ⁻¹⁷ , и является наилучшей среди всех существующих типов часов .

История создания

Идею о возможности использования атомных колебаний водорода для измерения времени предложил еще в 1879 году английский физик лорд Кельвин , однако только к середине XX века это стало практически возможным. В 1949 году в Национальном бюро стандартов США с участием Гарольда Лайонсона были созданы часы, использующие молекулы аммиака . Но они были не такими точными, как современные атомные часы, поскольку из-за взаимодействия молекул аммиака между собой и со стенками емкости, в которой находилось это вещество, изменялась энергия молекул, и их спектральные линии уширялись. Лишь в 1955 году Луи Эссен из Национальной физической лаборатории Великобритании представил первые атомные часы на цезии-133 , которые накапливали ошибку в одну секунду за миллион лет .

Устройство часов

Часы состоят из нескольких частей:

• квантовый дискриминатор ,
• кварцевый генератор ,
• комплекс электроники .

Кварцевый генератор представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла . Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило, 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10 ⁻⁶ , например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около ${\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-7}}$ . С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой ${\displaystyle \nu _{o}}$ постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии ${\displaystyle \nu _{a}}$ , регистрируемой в . При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня ${\displaystyle \Delta \nu /\nu =10^{-14}}$ .

В СССР идеологом создания атомных часов был академик Николай Геннадиевич Басов .

Национальные центры стандартов частоты

Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты :

• Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ), п. Менделеево Московской области;
• Национальный институт стандартов и технологий (NIST), Боулдер ( США , Колорадо );
• (AIST), Токио ( Япония );
• (PTB), Брауншвейг ( Германия );
• (LNE), Париж ( Франция ).
• Национальная физическая лаборатория Великобритании (NPL), Лондон , Великобритания .

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в Физическом институте им. Лебедева .

Типы атомных часов

Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы, это атомы кальция , рубидия , цезия , стронция , молекулы водорода , йода , метана , оксид осмия(VIII) и т. д. ^{[ источник не указан 218 дней ]} В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые — излучение с широким частотным спектром в виде эквидистантных линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты ^{[ источник не указан 218 дней ]} . Оптические гребёнки получают с помощью фемтосекундного лазера с синхронизацией мод и микроструктурированного оптоволокна , в котором происходит уширение спектра до одной октавы ^{[ источник не указан 218 дней ]} .

В 2006 году исследователи из американского Национального института стандартов и технологий под руководством Джима Бергквиста ( англ. Jim Bergquist ) разработали часы, действующие на одном атоме ртути . При переходах между энергетическими уровнями иона ртути генерируются фотоны видимого диапазона со стабильностью в 5 раз выше, чем микроволновое излучение цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения фундаментальных физических постоянных от времени. По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США ^{[ прояснить ]} , погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская геодезия , основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.

В 2006 году сообщалось, что в атомных часах нового поколения ^{[ уточнить ]} будут использоваться атомы стронция .

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства) . В начале 2011 американская компания "Symmetricom" объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему; часы работают на основе эффекта когерентного пленения , их стабильность — 5 · 10 ^-11 , масса — 35 г, потребляемая мощность — 120 мВт .

На XXVII Генеральной конференции по мерам и весам во Франции (2022 год) решили к 2030 году разработать новое определение секунды. Сейчас в большинстве лабораторий рассматривают часы на основе атомов стронция или иттербия , способных излучать или поглощать фотоны в видимой части спектра; также работают с рубидием, алюминием, ртутью. Так, в российском ФИАНе занимаются тулием . Вместе с тем, российские физики изучают принципиально другую схему — ядерные часы, где переходы не электронов, а изомеров (метастабильных состояний ядра, в которых один или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают более высокие или низкие энергетические уровни); ожидается, что ядерные часы будут на порядок точнее, чем лучшие современные оптические атомные часы, и приблизятся к уровню 10 ^-19 .

Примечания

Ссылки

• (неопр.) . 9 февраля 2012 года.
• (неопр.) . Полит.ру (25 июля 2006). Дата обращения: 13 декабря 2010. 9 февраля 2012 года.
• Нина Бирючкова . // craftster.ru, 14 апреля 2014

• Richard Alleyne. (англ.) . The Daily Telegraph (16 апреля 2009). Дата обращения: 13 декабря 2010. 9 февраля 2012 года.
• (англ.) . The National Institute of Standards and Technology, USA. Дата обращения: 26 февраля 2012. 24 мая 2012 года.