Когда внезапно отключается свет и чуть позже появляется, как вы узнаете, какое время на часах нужно выставлять? Да, я про электронные часы, которые наверняка у многих из нас есть. Вы хотя бы раз задумывались о том, как регулируется время? В этой статье мы узнаем все об атомных часах и о том, как они заставляют весь мир тикать.
Радиоактивны ли атомные часы?
Атомные часы показывают время лучше любых других часов. Они показывают время лучше, чем вращение Земли и движение звезд. Без атомных часов GPS-навигация была бы невозможной, Интернет не был бы синхронизирован, а положение планет не было бы известно с достаточной точностью для космических зондов и аппаратов.
Атомные часы не радиоактивны. Они не полагаются на атомный распад. Более того, у них есть пружина, как и у обычных часов. Самое большое отличие стандартных часов от атомных в том, что колебания в атомных часах происходят в ядре атома между окружающими его электронами. Эти колебания сложно назвать параллелью балансовому колесику в заводных часах, однако оба типа колебания можно использовать для отслеживания уходящего времени. Частота колебаний внутри атома определяется массой ядра, гравитацией и электростатической «пружиной» между положительным зарядом ядра и облаком электронов вокруг него.
Какие типы атомных часов мы знаем?
Сегодня существуют различные типы атомных часов, однако построены они на одних и тех же принципах. Основное различие связано с элементом и средствами обнаружения изменений уровня энергии. Среди разных типов атомных часов существуют следующие:
- Цезиевые атомные часы, использующие пучки атомов цезия. Часы разделяют атомы цезия с разными энергетическими уровнями магнитным полем.
- Водородные атомные часы поддерживают атомы водорода на нужном энергетическом уровне в контейнере, стены которого сделаны из специального материала, поэтому атомы не теряют высокоэнергетическое состояние слишком быстро.
- Рубидиевые атомные часы, самые простые и компактные из всех, используют стеклянную ячейку с рубидиевыми газом.
Самые точные атомные часы сегодняшнего дня используют атом цезия и обычное магнитное поле с детекторами. Кроме того, атомы цезия сдерживаются лазерными лучами, что уменьшает небольшие изменения частоты из-за эффекта Доплера.
Как работают атомные часы на основе цезия?
У атомов есть характерная частота колебаний. Знакомый вам пример частоты - это оранжевое свечение натрия в поваренной соли, если ее бросить в огонь. У атома есть много разных частот, некоторые в радиодиапазоне, некоторые в диапазоне видимого спектра, а некоторые между этими двумя. Цезий-133 чаще всего выбирают для атомных часов.
Чтобы вызвать резонанс атомов цезия в атомных часах, нужно точно измерить один из переходов или резонансную частоту. Обычно это делается путем блокировки кварцевого генератора в основном микроволновом резонансе атома цезия. Этот сигнал находится в микроволновом диапазоне радиочастотного спектра и обладает той же частотой, что и сигналы спутников прямого вещания. Инженеры знают, как создать оборудование для этой области спектра, в мельчайших подробностях.
Чтобы создать часы, цезий сначала нагревают так, что атомы выпариваются и проходят через трубу с высоким вакуумом. Сначала они проходят через магнитное поле, которое выбирает атомы с нужным энергетическим состоянием; потом они проходят через интенсивное микроволновое поле. Частота микроволновой энергии скачет туда-сюда в узком диапазоне частот, так что в определенный момент она достигает частоты 9 192 631 770 герц (Гц, или циклов в секунду). Диапазон микроволнового генератора уже близок к этой частоте, поскольку ее производит точный кварцевый генератор. Когда атом цезия получает микроволновую энергию нужной частоты, он меняет свое энергетическое состояние.
В конце трубки другое магнитное поле отделяет атомы, которые изменили свое энергетическое состояние, если микроволновое поле было нужной частоты. Детектор в конце трубки дает выходной сигнал, пропорциональный количеству атомов цезия, которые в него попадают, и достигает пика, когда микроволновая частота достаточно верна. Этот пиковый сигнал нужен для корректировки, чтобы привести кварцевый генератор, а значит и микроволновое поле к нужной частоте. Эта заблокированная частота затем делится на 9 192 631 770, чтобы дать знакомый всем один импульс в секунду, нужный реальному миру.
Когда изобрели атомные часы?
В 1945 году профессор физики Колумбийского университета Исидор Раби предложил часы, которые можно сделать на основе техники, разработанной в 1930-х годах. Она называлась атомный пучок магнитного резонанса. К 1949 году Национальное бюро стандартов объявило о создании первых в мире атомных часов на основе молекулы аммиака, колебания которой и считывались, а к 1952 году - создала первые в мире атомные часы на основе атомов цезия, NBS-1.
В 1955 году Национальная физическая лаборатория в Англии построила первые часы на основе пучка цезия в качестве источника калибровки. В течение следующего десятилетия создавались более совершенные часы. В 1967 году в ходе 13 Генеральной конференции по мерам и весам была определена СИ секунды на основе вибраций в атоме цезия. В мировой системе хронометража не было точнее определения, чем это. NBS-4, самые стабильные в мире цезиевые часы, были завершены в 1968 году и использовались до 1990 года.
В 21 веке спутниковая навигация развивается стремительными темпами. Можно определить положение любых объектов, которые хоть как-то связаны со спутниками, будь то мобильный телефон, автомобиль или космический корабль. Но ничего этого нельзя было бы достичь без атомных часов.
Также эти часы используются в различных телекоммуникациях, например, в мобильной связи. Это самые точные часы, которые когда-либо были, есть и будут.
Без них интернет был бы не синхронизирован, мы не знали бы расстояние до других планет и звезд и т.д.
В часах за секунду принимается 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, которое возникло при переходе между двумя энергетическими уровнями атома цезия-133. Такие часы называются цезиевыми. Но это только один из трех видов атомных часов. Еще есть водородные и рубидиевые часы. Однако, цезиевые часы используются чаще всего, поэтому не будем останавливаться на других видах.
Принцип работы цезиевых атомных часов
Лазер нагревает атомы изотопа цезия и в это время, встроенный резонатор регистрирует все переходы атомов. И, как было сказано ранее, после достижения 9 192 631 770 переходов, отсчитывается одна секунда.
Лазер, встроенный в корпус часов, нагревает атомы изотопа цезия. В это время резонатор регистрирует количество переходов атомов на новый энергетический уровень. Когда достигается определенная частота, а именно 9 192 631 770 переходов (Гц), то отсчитывается секунда, основываясь на международной системе СИ.
Использование в спутниковой навигации
Процесс определения точного местоположения того или иного объекта с помощью спутника весьма непрост. В этом участвует несколько спутников, а именно более 4 на один приемник (например, GPS навигатор в автомобиле).
В каждом спутнике установлены высокоточные атомные часы, радиопередатчик спутника и цифровой генератор кода. Радиопередатчик посылает на Землю цифровой код и информацию о спутнике, а именно параметры орбиты, модель и т.д.
Часы определяют, за какое время этот код дошел до приемника. Таким образом, зная скорость распространения радиоволн, вычисляется расстояние до приемника на Земле. Но одного спутника для этого мало. Современные GPS приемники могут принимать сигналы от 12 спутников одновременно, что позволяет определить местоположение объекта с точностью до 4-х метров. Кстати, стоит отметить, что GPS навигаторы не требуют абонентской платы.
Это устройства для измерения времени, принцип работы которых основан на атомной физике. Благодаря свойствам химических элементов, используемых в конструкции, погрешность этих часов минимальна. Например, устройства на основе тория-229 отстанут на десятую долю секунды примерно за 14 миллиардов лет.
Как работают атомные часы
Если в кварцевых часах опорная частота для определения секунды - количество колебаний кристалла кварца, то в атомных за нее принимается частота переходов электронов в атомах определенных химических элементов с одного энергетического уровня на другой.
1 - Электронный компонент (чип)
2 - Атомный источник
3 - Фотодетектор
4 - Верхний нагреватель
5 - Резонансная ячейка
6 - Волновая пластинка
7 - Нижный нагреватель
8 - Вертикально-излучающий лазер
В чем суть: в атомах есть электроны. Они обладают энергией. При поглощении или отдаче энергии электроны скачком переходят с одного энергетического уровня на другой, поглощая или испуская электромагнитные волны, частота которых всегда одинакова. Этим явлением можно управлять: когда атом подвергают воздействию микроволнового излучения, он отзывается определенным количеством колебаний.
Это свойство используется для повышения точности измерений времени. Так, признано, что секунда - это продолжительность 9192631770 циклов излучения. Данная частота соответствует переходу между двумя энергетическими уровнями атома цезия-133. Сравнивая частоту колебаний кварцевого генератора с частотой переходов атомов элемента, фиксируются малейшие отклонения. При наличии отклонений, колебания кварца отстраиваются.
В атомных часах используется не только цезий. Появляются устройства на базе химических элементов, способных обеспечить еще большую точность хода: иттербий, торий-229, стронций.
Почему атомные часы точные
Частота колебаний химического элемента одинакова, и это сводит к минимуму возможность погрешности. Кроме того, в отличие от кварцевого кристалла, атомы не изнашиваются и не утрачивают свои химические свойства со временем.
Другие названия атомных часов: квантовые, молекулярные.
Вы когда-нибудь замечали, что ваши часы в доме показывают разное время? И как понять, какое из всех вариантов правильное? Ответы на все эти вопросы мы узнаем, досконально изучив принцип работы атомных часов.
Атомные часы: описание и принцип работы
Давайте сначала разберемся, что же собой представляет механизм атомных часов. Атомные часы — это такой прибор, с помощью которого происходит измерение времени, но в нем используют его собственные колебания, как периодичность процесса, а также все происходит на атомном и молекулярном уровне. Отсюда такая точность.
Можно с уверенностью утверждать, что атомные часы самые точные! Именно благодаря им в мире функционирует Internet, GPS-навигация, нам известно точное расположение планет в солнечной системе. Погрешность этого прибора настолько минимальна, что можно уверенно говорить, что они мировые! Благодаря атомным часам происходит вся мировая синхронизация, известно, где находятся те или иные изменения.
Кто изобрел, кто создал, а также кто придумал эти чудо-часы?
Еще в начале сороковых годов ХХ столетия было известно об атомном пучке магнитного резонанса. Сначала его применение никак не касалось часов — это была только теория. Но уже в 1945 году Исидор Раби предложил создать прибор, концепция которого состояла в том, чтобы они работалина основе вышеописанной техники. Но они были устроены так, что показывали не точные результаты. И вот уже в 1949 году National Bureau of Standards оповестило весь мир о создании первых атомных часов, в основу которых легли молекулярные соединения аммиака, а уже в 1952 году были освоены технологии для создания прототипа на основе атомов цезия.
Услышав об атомах аммиака и цезия, возникает вопрос, а не радиоактивны ли эти чудесные часы? Ответ однозначный — нет! В них отсутствует атомный распад.
В наше время есть множество материалов, из которых производят атомные часы. Например, это кремний, кварц, алюминий и даже серебро.
Как работает прибор?
Давайте же разберемся, как выглядят и как работают часы на атомнойэнергии. Для этого предлагаем описание их работы:
Для правильного функионирования именно этих часов необходим не маятник, а также не кварцевый генератор. Они используют сигналы, которые возникают вследствие квантового перехода одного электрона между двумя энергетическими уровнями атома. В результате мы имеем возможность наблюдать электромагнитную волну. Другими словами, мы получаем частые колебания и сверхвысокий уровень стабильности работы системы. Ежегодно за счет новых открытий происходят модернизации процессов. Не так давно специалистыThe NationalInstituteo fStandardsand Technology (NIST)стали рекордсменами, установив абсолютный мировой рекорд. Они смогли довести точность работы атомных часов (в основе был стронций) до самого минимального отклонения, а именно: за 15 млрд. леттам набегает одна секунда. Да-да, вам не показалось, именно такой возраст сейчас присваивается нашей с вами Вселенной. Это колоссальное открытие! Ведь именно стронций сыграл важнейшую роль в этом рекорде. Аналогом «тиканья» выступили перемещающиеся атомы стронция в его пространственной решетке, которую создали ученые при помощи лазера. Как и всегда в науке, на теории все кажется фееричным и уже усовершенствованным, но нестабильность такой системы может оказаться менее радостной на практике. Именно из-за своей нестабильности, мировую популярность получил прибор на цезии.
Теперь рассмотрим, из чего состоит такой прибор. Основными деталями здесь являются:
- квантовый дискриминатор;
- генератор из кварца;
- электроника.
Генератор из кварца — это подобие автогенератора, но для произведения резонансного элемента, в нем применяют пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла.
Имея квантовый дискриминатор и кварцевый осциллятор, под воздействием их частоты происходит их сравнение и при выявлении разницы, схема обратной связи требует от кварцевого генератора подстраиваться под требуемое значение и повышать стабильность и точность. В результате на выходе мы видим на циферблате точное значение, а значит, точное время.
Ранние модели имели довольно большие размеры, однако в октябре 2013 года компания "BathysHawaii«произвела фурор, выпустив миниатюрныеатомные наручные часы. Сначала все восприняли такое заявление как шутку, но вскоре выяснилось, что это действительно правда, и они функционируют на основе атомного источника Цезий 133. Безопасность прибора обеспечивается тем, что радиоактивный элемент содержится в виде газа в специальной капсуле. Фото этого прибора разлетелось по всему миру.
Многих в теме атомных часов интересует вопрос источника питания. В качестве батарейки используется литий-ионный аккумулятор. Но увы, пока неизвестно, на сколько хватит такого аккумулятора.
Часы компании «BathysHawaii» стали действительно первыми атомными наручными часами. Ранее уже были известны случаи выпуска относительно портативного прибора, но, к сожалению, он не имел атомного источника питания, а всего на всего выполнял синхронизацию с реальными габаритными часами по беспроводной радиосвязи. Стоит также упомянуть и о стоимости такого гаджета. Удовольствие было оценено в 12 тыс. долларов США. Было понятно, что с такой ценой часы не обретут широкой популярности, но компания к этому и не стремилась, ведь выпустила их очень ограниченной партией.
Нам известны несколько типов атомных часов. В их конструкции и принципах нет существенных отличий, но все же некоторые отличия все-таки есть. Так, основные заключаются в средствах нахождения изменений и их элементов. Можно выделить следующие типы часов:
- Водородные. Их суть заключается в том, что идет поддержка атомов водорода на нужном уровне энергетики, а вот стены сделаны из специального материала. Исходя из этого, делаем вывод, что именно водородные атомы очень быстро теряют свое энергетическое состояние.
- Цезиевые. Основой для них являются пучки цезия. Стоит отметить, что именно эти часы являются самыми точными.
- Рубидиевые. Они являются самыми простыми и очень компактными.
Как уже говорилось ранее, атомные часы являются очень дорогостоящим гаджетом. Так, карманные часы Hoptroff № 10 — яркий представитель игрушки нового поколения. Цена такого стильного и очень точного аксессуара составляет 78 тыс. долларов. Было выпущено всего 12 экземпляров. В механизме этого прибора используется высокочастотная колебательная система, которая также оснащена GPS-сигналом.
На этом компания не остановилась и именно в своей десятой версии часов хочет применить метод помещения механизма в золотой корпус, который будет напечатан на популярном 3D-принтере. Точно еще не рассчитано, сколько золота будет использовано для такой версии корпуса, но зато уже известна предполагаемая розничная стоимость этого шедевра — она составила около 50 тыс. фунтов стерлингов. И это еще не окончательная цена, хотя в ней учтены все объемы исследований, а также новизна и уникальность самого гаджета.
Исторические факты об использовании часов
Как же рассказывая об атомных часах, не упомянуть о самых интересных фактах, которые связаны с ними и временем в целом:
- Вы знали, что в древнем Египте были найдены самые старые солнечные часы?
- Погрешность атомных часов минимальна — она составляет всего 1 секунду на 6 миллионов лет.
- Все знают, что в минуте — 60 секунд. Но мало кто вникал в то, сколько же миллисекунд в одной секунде? А их не много и не мало — тысяча!
- Каждый турист, который смог побывать в Лондоне, обязательно стремился увидеть своими глазами Биг Бен. Но к сожалению, не многие знают, что Биг Бен — совсем не башня, а название огромного колокола, который весит 13 тонн и звонит внутри башни.
- Вы никогда не задумывались, почему стрелки наших с вами часов идут именно слева направо или как мы привыкли говорить «по часовой стрелке»? Этот факт напрямую связан с тем, как движется тень на солнечных часах.
- Самые первые наручные часы были придуманы в недалеком 1812 году. Их изготовил основатель фирмы Breguet для Неополитанской королевы.
- До Первой Мировой войны, наручные часы считались только женским аксессуаром, но вскоре из-за своего удобства, они были облюбованы и мужской частью населения.
МОСКВА, 27 окт — РИА Новости, Ольга Коленцова. Что такое время? Режиссеры фантастических фильмов считают, что это некое измерение, по которому можно передвигаться. В реальном мире время определяется положением предметов в пространстве. Теоретически, если мы сможем вернуть каждую частицу во Вселенной в состояние и положение, в котором она находилась в определенный момент, то совершим путешествие в прошлое.
Итак, пока наши знания дают возможность определять время в зависимости от механических изменений, происходящих в мире. Например, один полный оборот Земли вокруг своей оси определяет день, а вокруг Солнца — год. Но у людей появилась необходимость разбить сутки на более маленькие и четко определяемые отрезки — часы, минуты, секунды.
Для отсчета этих единиц люди придумали особые устройства — часы. Их история длится века, а вместе с технологиями растут и требования к точности измерения времени. Если в быту мы отлично обходимся механическими и электронными часами, то наука требует куда более точных приборов.
Основой для подсчета времени служит некое повторяемое событие, когда объект возвращается в начальное состояние через строго определенный промежуток времени. Например, в механических часах крутятся шестеренки (или качается маятник), а в песочных часах наступает момент, когда все песчинки падают на дно сосуда.
Конечно, современные электронные и механические часы намного точнее их предшественников — водных, песочных и солнечных. Но а некоторых областях требовались еще более точные механизмы. И люди создали часы, работающие на основе процессов, происходящих внутри атома.
Как известно, атом состоит из ядра и электронного облака. Электроны располагаются на разных энергетических уровнях. Чем дальше электрон от ядра, тем большей энергией он обладает. Представьте собаку, привязанную к стальной балке прочным, но растяжимым поводком. Чем дальше она хочет отойти, тем сильнее ей надо натянуть поводок. Конечно, сильная крупная собака сможет отойти дальше, чем маленькая и слабая.
© AP Photo / Focke Strangmann
© AP Photo / Focke Strangmann
При переходе на уровень ниже электрон испускает энергию, а при переходе на более высокий уровень — поглощает. "Прыжками" электронов можно управлять при помощи электромагнитного излучения, являющегося источником энергии. Излучение имеет определенную частоту. Эта величина обратна периоду колебания, то есть времени, необходимому для возвращения совершающего "замкнутые" движения объекта в первоначальное состояние.
Для атомных часов используют кальций, водород, тулий, стронций, рубидий, торий, йод и метан, а чаще всего — цезий. Электроны в атомных часах на основе цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 Гц. Именно на такое число промежутков делится секунда в этих природных часах. Согласно определению, официально принятому еще в 1967 году на Генеральной конференции по мерам и весам, атом цезия-133 признан стандартом для измерений времени. От точности секунды зависит подлинность других основных единиц физических величин, таких как, например, вольт или ватт, которые определяются через время.
Работают сверхточные часы так: цезий-133 нагревают, и некоторые атомы покидают основное вещество, а затем проходят через магнитное поле, которое отсеивает атомы с нужными энергетическими состояниями. Отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к частоте электромагнитного излучения при переходе электрона с одного уровня на другой в цезии-133. Под воздействием поля атомы меняют энергетические состояния и попадают на детектор, который фиксирует момент, когда нужным энергетическим состоянием будет обладать наибольшее количество атомов. Тогда значение частоты электромагнитного поля подается в делитель частоты, определяющий свою единицу посредством деления секунды. Получается "новая секунда", принимаемая за эталон минимальной единицы времени.
© Иллюстрация РИА Новости. Алина Полянина
