Начнем с простого: что такое атомные часы?
Это не так уж просто! Для начала разберемся, как работают привычные нам инструменты для измерения времени — кварцевые и электронные хронометры.
Часы, которые могут измерять секунды, состоят из двух компонентов:
- Физическое действие, которое повторяется определенное количество раз в секунду.
- Счетчик, который сигнализирует, что секунда прошла, когда происходит определенное количество действий.
В кварцевых и электронных часах физическое действие происходит в кристалле кварца определенного размера, который сжимается и разжимается под воздействием электрического тока с частотой 32 768 Гц. Как только кристалл совершает это количество колебаний, часовой механизм получает электрический импульс и поворачивает стрелку — так работает счетчик.
В атомных часах процесс происходит иначе. Счетчик фиксирует микроволновый сигнал, испускаемый электронами в атомах при изменении уровня энергии. Когда атомы щелочных и щелочноземельных металлов вибрируют определенное количество раз, прибор принимает это значение за секунду.
Показания цезиевых атомных часов лежат в основе современного определения секунды в международной системе единиц измерения СИ. Она определяется как промежуток времени, в течение которого атом цезия-133 (133Cs) совершает 9 192 631 770 переходов.
Атомные часы и правда очень точные?
Да! Например, механические кварцевые часы работают с точностью ±15 секунд в месяц. Когда кварцевый кристалл вибрирует, он теряет энергию, замедляется и теряет время (чаще всего такие часы спешат). Подводить такие часы нужно примерно два раза в год.
Кроме того, со временем кристалл кварца изнашивается и часы начинают спешить. Такие измерительные приборы не отвечают требованиям ученых, которым необходимо делить секунды на тысячи, миллионы или миллиарды частей. Механические компоненты нельзя заставить двигаться с такой скоростью, а если бы это удалось сделать, их компоненты изнашивались бы крайне быстро.
Цезиевые часы отклонятся на одну секунду за 138 млн лет. Однако точность таких измерительных приборов постоянно растет — на данный момент рекорд принадлежит атомным часам с точностью около 10 в степени –17, что означает накопление ошибки в одну секунду за несколько сот миллионов лет.
Раз в атомных часах используются цезий и стронций, они радиоактивны?
Нет, радиоактивность атомных часов — это миф. Эти измерительные приборы не полагаются на ядерный распад: как и в обычных часах, в них присутствует пружина (только электростатическая) и даже кристалл кварца. Однако колебания в них происходят не в кристалле, а в ядре атома между окружающими его электронами.
Ничего не понимаем! Как же тогда работают атомные часы?
Расскажем о самых стабильных, цезиевых часах. Измерительный прибор состоит из радиоактивной камеры, кварцевого генератора, детектора, нескольких тоннелей для атомов цезия и магнитных фильтров, которые сортируют атомы низкой и высокой энергии.
Прежде чем попасть в тоннели, хлорид цезия нагревается. Это создает газовый поток ионов цезия, которые затем проходят через фильтр — магнитное поле. Оно разделяет атомы на два подпотока: с высокой и низкой энергией.
Низкоэнергетичный поток атомов цезия проходит через радиационную камеру, где происходит облучение с частотой 9 192 631 770 циклов в секунду. Это значение совпадает с резонансной частотой атомов цезия и заставляет их изменить энергетическое состояние.
Следующий фильтр отделяет низкоэнергетичные атомы от высокоэнергетичных — последние остаются в случае, если произошло смещение частоты излучения. Чем ближе частота облучения к резонансной частоте атомов, тем больше атомов станут высокоэнергетическими и попадут на детектор, который преобразует их в электричество. Ток необходим для работы кварцевого генератора — он отвечает за длину волны в радиационной камере, — а значит за то, чтобы цикл повторился вновь.
Предположим, кварцевый генератор теряет свою энергию. Как только это происходит, излучение в камере ослабевает. Следовательно, количество атомов цезия, переходящих в состояние высокой энергии, падает. Это дает сигнал резервной электрической цепи отключить генератор и скорректировать период колебаний, тем самым фиксируя частоту в очень узком диапазоне. Затем эта фиксированная частота делится на 9 192 631 770, что приводит к формированию импульса, отсчитывающего секунду.
Если атомные часы тоже зависят от кварцевого кристалла, в чем тогда прорыв?
Действительно, кварцевый генератор — самое слабое место цезиевых атомных часов. С момента создания первого такого измерительного прибора исследователи ищут способ отказаться от компонента — в том числе за счет экспериментов с различными щелочными и щелочноземельными металлами, помимо цезия.
Например, в конце 2017 года ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) создали в качестве основы для атомных часов трехмерную решетку из 3 тыс. атомов стронция.
Исследователям удалось доказать, что увеличение числа атомов в решетке приводит к увеличению точности часов, а при максимальном количестве атомов точность составила погрешность в одну секунду за 15 млрд лет (примерно столько прошло со времен Большого взрыва).
Но стабильность работы стронциевых часов еще предстоит проверить — сделать это можно только со временем. Пока ученые берут за основу для измерений показания цезиевых атомных часов с кварцевым кристаллом внутри.
Ясно! Значит, скоро атомные часы станут обычным делом?
Маловероятно. Проблема заключается в том, что точность атомных часов регулируется принципом неопределенности Гейзенберга. Чем выше точность частоты излучения, тем выше фазовый шум, и наоборот. Повышение фазового шума означает, что необходимо усреднить множество циклов для достижения необходимого уровня точности частоты. Это делает разработку и поддержание работоспособности атомных часов довольно дорогими для массового использования.
Сейчас атомные часы установлены на базовых станциях мобильной связи и в сервисах точного времени. Без них была бы невозможна работа навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС), в которых расстояние до точки определяется по времени приема сигнала от спутников. Кварцевые кристаллы являются доминирующим решением. Даже в дорогостоящем испытательном оборудовании, таком как осциллограф серии Keysight UXR1104A Infiniium UXR: 110 ГГц, четыре канала (цена не указана, но она находится в диапазоне $1 млн) используют стабилизированные в печи кристаллы кварца для эталонов, стабильных во времени.
Однако в большинстве случаев использование простого кварцевого кристалла будет дешевле и эффективнее, — потому что кварц имеет гораздо лучшее соотношение точности частоты к фазовому шуму. Поэтому атомные часы необходимы только в случае, когда нужно иметь заданную точность частоты в течение продолжительного времени — десятков и сотен лет. Такие случаи крайне редки — и вряд ли действительно необходимы обычному человеку, а не ученому.