Прогресс
не стоит на месте ─ совсем недавно в США были созданы высокоточные атомные часы, которые совершают ошибку в одну секунду за 300 миллионов лет. Эти часы,
заменившие старую модель, которая допускала ошибку в одну секунду за сто
миллионов лет, теперь задают стандарт американского гражданского времени.
 |
| Первые атомные часы NBS-1 |
Первый
атом
Для того чтобы создать
часы, достаточно использовать любой периодический процесс. И история появления
приборов измерения времени ─ это отчасти история появления либо новых
источников энергии, либо новых колебательных систем, используемых в часах.
Самыми простыми часами являются, вероятно, солнечные: для их работы необходимо
только Солнце и предмет, который отбрасывает тень. Недостатки этого способа
определения времени очевидны. Водяные и песочные часы тоже не лучше: они
пригодны лишь для измерения сравнительно коротких промежутков времени.
Самые древние
механические часы были найдены в 1901 году рядом с островом Антикитера на
затонувшем корабле в Эгейском море. Они содержат около 30 бронзовых шестерен в
деревянном корпусе размером 33 на 18 на 10 сантиметров и датируются примерно
сотым годом до нашей эры.
 |
| Фрагмент антикитерского механизма* |
В течение почти двух
тысяч лет механические часы были самыми точными и надежными. Появление в 1657
году классического труда Христиана Гюйгенса «Маятниковые часы» («Horologium
oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes
geometrica») с описанием устройства отсчета времени с маятником в качестве
колебательной системы, стало, вероятно, апогеем в истории развития механических
приборов такого типа.
Однако астрономы и
мореплаватели все равно использовали звездное небо и карты для определения
своего местоположения и точного времени. Первые же электрические часы изобрел в
1814 году Фрэнсис Роналдс. Однако первый такой прибор был неточным из-за
чувствительности к изменениям температуры.
Дальнейшая история
часов связана с использованием в устройствах разных колебательных систем.
Представленные в 1927 году сотрудниками Лабораторий Белла кварцевые часы
использовали пьезоэлектрические свойства кристалла кварца: при воздействии на
него электрического тока кристалл начинает сжиматься. Современные кварцевые
хронометры могут обеспечить точность до 0,3 секунды в месяц. Однако, поскольку
кварц подвержен старению, с течением времени часы начинают идти с меньшей
точностью.
С развитием атомной
физики ученые предложили использовать в качестве колебательных систем именно
частицы вещества. Так появились первые атомные часы. 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 возможным.
 |
| Лорд Кельвин, предложивший идею атомных часов. |
В 1930-х годах
американский физик и первооткрыватель ядерного магнитного резонанса Исидор Раби
начал работать над атомными часами с цезием-133, однако начало войны помешало
ему. Уже после войны в 1949 году в Национальном комитете стандартов США с
участием Гарольда Лайонсона были созданы первые молекулярные часы, использующие
молекулы аммиака. Но первые такие приборы измерения времени не были точными,
как современные атомные часы.
Относительно малая
точность была связана с тем, что из-за взаимодействия молекул аммиака между
собой и со стенками емкости, в которой находилось это вещество, изменялась
энергия молекул, и их спектральные линии уширялись. Этот эффект очень похож на
трение в механических часах.
Позднее, в 1955 году, Луи Эсссен из
Национальной физической лаборатории Великобритании представил первые атомные
часы на цезии-133. Эти часы накапливали ошибку в одну секунду за миллион лет.
Прибор получил название NBS-1 и стал считаться цезиевым эталоном частоты.
 |
|
Изобретатель
Гарольд Лайонс (справа)
с
первыми молекулярными часами (1949 год)
|
Принципиальная схема
атомных часов состоит из кварцевого генератора, контролируемого дискриминатором
по схеме обратной связи. В генераторе используются пьезоэлектрические свойства
кварца, тогда как в дискриминаторе происходят энергетические колебания атомов,
так что колебания кварца отслеживаются сигналами от переходов с разных
энергетических уровней в атомах или молекулах. Между генератором и
дискриминатором находится компенсатор, настроенный на частоту атомных колебаний
и сравнивающий ее с частотой колебаний кристалла.
Атомы, используемые в
часах, должны обеспечивать стабильные колебания. Для каждой частоты
электромагнитного излучения существуют свои атомы: кальция, стронция, рубидия,
цезия, водорода. Или даже молекулы аммиака и йода.
Эталон
времени
С появлением атомных
приборов измерения времени стало возможным использовать их в качестве
универсального эталона для определения секунды. С 1884 года Гринвичское время,
считавшееся мировым стандартом, уступило место эталону атомных часов. В 1967
году решением 12-й Генеральной конференции мер и весов одну секунду определили
как продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу
между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Такое
определение секунды не зависит от астрономических параметров и может
воспроизводиться в любой точке планеты. Цезий-133, используемый в эталоне
атомных часов, ─ единственный стабильный изотоп цезия со 100-процентной
распространенностью на Земле.
 |
| Точность атомных часов увеличивается (по данным Национального института стандартов и технологий США) |
Атомные часы
используются и в спутниковой системе навигации; они необходимы для определения
точного времени и координат спутника. Так, в каждом спутнике системы GPS
установлены по четыре комплекта таких часов: два рубидиевых и два цезиевых,
которые обеспечивают точность передачи сигнала в 50 наносекунд. На российских
спутниках системы ГЛОНАСС тоже установлены цезиевые и рубидиевые атомные
приборы измерения времени, а на спутниках разворачивающейся европейской
геопозиционной системы Galileo ─ водородные и рубидиевые.
Точность водородных
часов ─ самая высокая. Она составляет 0,45 наносекунды за 12 часов.
Компактные
атомные часы
Hewlett-Packard стала
первой компанией, которая занялась разработкой компактных атомных часов. В 1964
году ею был создан цезиевый прибор HP 5060A размером с большой чемодан.
Компания и дальше развивала это направление, но с 2005 года продала свое
подразделение, разрабатывающее атомные часы, компании Symmetricom.
 |
| Цезиевые часы HP 5060A |
В 2011 году специалисты
Лаборатории Дрейпера и Сандийских национальных лабораторий разработали, а
компания Symmetricom выпустила первые миниатюрные атомные часы Quantum. На
момент выпуска они стоили порядка 15 тысяч долларов, были заключены в
герметичный корпус размером 40 на 35 на 11 миллиметров и весили 35 граммов.
Потребляемая мощность часов составляла менее 120 милливатт. Первоначально они
были разработаны по заказу Пентагона и предназначались для обслуживания
навигационных систем, функционирующих независимо от систем GPS, например,
глубоко под водой или землей.
Уже в конце 2013 года
американская компания Bathys Hawaii представила первые «наручные» атомные часы.
В качестве основного компонента в них используется чип SA.45s производства
компании Symmetricom. Внутри чипа располагается капсула с цезием-133. В
конструкцию часов также входят фотоэлементы и маломощный лазер. Последний
обеспечивает нагревание газообразного цезия, в результате чего его атомы
начинают переходить с одного энергетического уровня на другой. Измерение
времени как раз и производится за счет фиксирования такого перехода. Стоимость
нового прибора составляет около 12 тысяч долларов.
 |
| Наручные атомные часы |
Тенденции к
миниатюризации, автономности и точности приведут к тому, что уже в недалеком
будущем появятся новые устройства с использованием атомных часов во всех сферах
человеческой жизни, начиная с космических исследований на орбитальных спутниках
и станциях до бытового применениях в комнатных и наручных системах.