Атомные часы

А́томные часы́ (молекулярные, квантовые часы) — сверхточные устройства, предназначенные для измерения времени. Принцип их работы базируется на микроволновых сигналах, которые испускают электроны в атомах при изменении уровня энергии. Эти прибор способен сохранять стабильность измерений на протяжении долгих лет. В отличие от механических часов, функционирующих на колебании маятника, или кварцевых, использующих вибрацию кристалла, атомные часы опираются на свойства атомов — фундаментальных строительных блоков природы.

История

В 1949 году появились первые атомные часы. Источником колебаний в них, в отличие от кварцевых и маятниковых аналогов, служили сигналы, генерируемые электроном в процессе его переходов с одного атомного квантового уровня на другой. Однако эти ранние образцы не получили повсеместного распространения, так как им не хватало точности, они были крайне громоздки и дорогостоящи.

В 1955 году были разработаны атомные часы, работа которых основывалась на частоте колебаний, возникающих при квантовых переходах электрона в ядре атома цезия. Установлены они были в Национальной физической лаборатории Великобритании. Их погрешность хода демонстрирует отклонение всего в одну секунду примерно за три миллиона лет. Такая исключительная точность стала основанием для принятия решения в 1967 году о переходе к атомному эталону времени. Данное нововведение значительно упростило деятельность хранителей времени и астрономов, чья работа постоянно сталкивалась с многочисленными сложностями, обусловленными непостоянной скоростью замедления вращения Земли (около двух миллисекунд за столетие) и колебаниями продолжительности суток в тысячные доли секунды.

По указанным причинам, точность Гринвичского времени, являвшегося мировым эталоном с 1884 года, оказалась недостаточной. Именно поэтому в 1967 году был осуществлён переход на атомный эталон времени. С этого момента учёные перестали использовать астрономическое определение единицы времени. В Международной системе единиц основная единица времени была утверждена как атомная секунда, эквивалентная 9 192 631 770 периодам электромагнитного излучения, которое появляется в процессе квантового перехода атома цезия-133 из одного основного состояния в другое. Точность определения времени с использованием атомных часов превышает точность предыдущего эталона, астрономического Гринвичского среднего времени, в миллион раз.

Устройство атомных часов

Резонатор: центральным элементом атомных часов является резонатор, предназначенный для возбуждения атомов и последующего выявления резонанса. Чаще всего для этих целей используется следующее оборудование:

• Микроволновая печь. Это устройство, знакомое нам по бытовому применению, в слегка модифицированном варианте выступает сердцем атомных часов. Здесь микроволны специально настраиваются на определённую частоту, необходимую для запуска резонанса.
• Ионные ловушки. Они применяются в продвинутых моделях атомных часов, где ион удерживается в специальном электростатическом поле. Это способствует его стабильности и облегчает процесс считывания данных.

Лазерная система охлаждения: секрет точности атомных часов является специальная лазерная система охлаждения. Атомы, находящиеся в движении, приводят к потере точности. Именно здесь на помощь приходит лазер. Поток лазерных импульсов особым образом тормозит атомы, доводя их состояние практически до полной остановки. Благодаря «замороженным» атомам становится возможным проводить намного более точные измерения, устраняя при этом лишние шумы и колебания.

Контроль температуры и давления: учитывая, что любое физическое устройство чувствительно к изменениям температуры и давления, производители атомных часов стремятся минимизировать воздействие этих факторов. С этой целью используются системы термостатирования и барокамеры, которые обеспечивают постоянные условия для атомов. Интерфейсы и протоколы: само по себе устройство атомных часов нефункционально без программного обеспечения и аппаратных интерфейсов. Существуют специальные стандарты, которые регулируют обмен данными между атомными часами и внешними системами.

К наиболее популярным из них относятся:

• Интерфейс IEEE 1588, разработанный для синхронизации серверов в корпоративных сетях.
• Протокол NTP (Network Time Protocol), который обеспечивает онлайн-синхронизацию компьютеров по всему миру.

Национальные центры стандартов частоты

Атомные часы размещаются в крупнейших научных центрах и лабораториях по всему миру. Поскольку эти устройства нуждаются в сложном оборудовании и постоянном контроле, их установка осуществляется исключительно в специализированных учреждениях:

• Национальный институт стандартов и технологий (NIST), США: один из крупнейших центров исследований времени.
• Национальная физическая лаборатория Великобритании: здесь были изобретены первые атомные часы на основе цезия.
• Международное бюро мер и весов, Франция: отвечает за поддержание и распространение Международной системы единиц.
• Национальный институт информационно-коммуникационных технологий, Япония: разрабатывает современные атомные часы.
• Обсерватория Невшатель, Швейцария: центр по изучению времени.

Компактные атомные часы

Компания Hewlett-Packard стала первопроходцем в разработке компактных атомных часов. В 1964 году ею был создан цезиевый прибор, получивший обозначение HP 5060A, который по своим габаритам был сравним с большим чемоданом. Hewlett-Packard продолжала развивать это направление, однако в 2005 году продала своё подразделение, специализирующееся на атомных часах, компании Symmetricom.

В 2011 году специалисты Лаборатории Дрейпера и Сандийских национальных лабораторий разработали первые миниатюрные атомные часы Quantum, а их выпуск осуществила компания Symmetricom. На момент появления на рынке они оценивались примерно в 15 тысяч долларов, были заключены в герметичный корпус размером 40 на 35 на 11 миллиметров и весили 35 граммов. Потребление мощности этих часов составляло менее 120 милливатт. Первоначально их создание было инициировано Пентагоном, и предназначались они для обеспечения работы навигационных систем, функционирующих независимо от систем GPS, например, в условиях глубоководных погружений или под землёй.

Уже к концу 2013 года американская компания Bathys Hawaii представила первые атомные часы, выполненные в формате наручного аксессуара. В качестве ключевого компонента в них используется чип SA.45s, произведённый компанией Symmetricom. Внутри чипа размещена капсула с цезием-133. Конструкция часов также включает фотоэлементы и маломощный лазер. Последний обеспечивает нагревание газообразного цезия, в результате чего его атомы начинают совершать переходы с одного энергетического уровня на другой. Измерение времени как раз и осуществляется путём фиксирования этих переходов. Стоимость нового прибора составляет около 12 тысяч долларов.