1. Від сонячної секунди до маятника
2. атомний маятник
3. вартові фонтани
4. Оптичні стандарти

Поки ви читали це, атом цезію-133 зробив 9 192 631 770 переходів між енергетичними рівнями надтонкої структури. Такий сучасний еталон одиниці часу - секунди, прийнятий в 1967 році.

З давніх часів людина намагалася зрозуміти, що таке час. І, зрозуміло, виміряти його. Чого тільки не придумали люди за багато століть - від водяних, пісочних і сонячних годин до астрономічних і механічних. Більшість з них не були занадто точними, але це нікого всерйоз не турбувало. Все змінилося в епоху Великих географічних відкриттів: для морської навігації конче були потрібні точний годинник, оскільки похибка положення приводила до втрати кораблів, людей і товарів. У XVIII столітті відразу кілька морських держав (Іспанія і Португалія, Голландія, Франція і Великобританія) заснували великі грошові премії за створення точних годин, які можна було використовувати для навігаційних вимірювань. Британську премію виграв годинникар-самоучка Джон Харрісон, який сконструював годинник з середньодобовим відходом в дві секунди (це при тому, що годинник тоді вважалися особливо точними, якщо мали хвилинну стрілку), що призводило до навігаційної помилку всього в десять морських миль.

Принцип дії цезієвого еталона частоти

Від сонячної секунди до маятника

Промислова і наукова революція також вимагали точного вимірювання часу. Першим загальноприйнятим еталоном секунди стало її астрономічне визначення, згідно з яким 1 з дорівнює 1/86 400 сонячних діб. Пізніше з'ясувалося, що Земля обертається не зовсім рівномірно, і визначення уточнили - «середньої сонячної доби». Потім стало ясно, що в зв'язку з уповільненням обертання Землі (в основному за рахунок впливу приливних сил з боку Місяця) така секунда занадто нестабільна для еталона, і визначення змінили. Нова секунда, введена в 1957 році, базувалася на ефемеридах, тобто орбітальному русі Землі навколо Сонця, і визначалася як 1/31 556 925 9747 частка тривалості конкретного (1900-го) тропічного року. Але хоча цей еталон був більш стабільним, ніж сонячна секунда, він практично застосовувався тільки в астрономії, оскільки відтворювати його в лабораторії було досить важко.

Середньомісячний догляд сучасних кварцових наручних годинників становить зазвичай кілька секунд. Виробники оснащують деякі моделі системою автоматичної корекції за радіосигналами точного часу (працює в деяких країнах) або навіть за сигналами супутників GPS. А в 2011 році американська компанія Symmetricom представила компактні атомний годинник в розмірі мікрочіпа SA.45s Quantum Chip Scale Atomic Clock (CSAC) - 4х3,5х1,1 см і масою всього 35 г, CSAC споживає всього 0,1 Вт і забезпечує точність в 10 ^ (- 11) -10 ^ (- 12) (догляд приблизно в 1 секунду за 3-30 тисяч років). На основі цього чіпа можна виготовити наручні атомний годинник, хоча, звичайно, основна область його використання - це створення автономних (без синхронізації з GPS) надточних генераторів частоти, потрібних для військових, наукових, промислових і інших застосувань.

Набагато частіше практикується отримали старі добрі маятниковий годинник, конструкція яких базувалася на класичних працях Галілео Галілея. До початку XX століття, пройшовши три століття еволюції, конструкції такого годинника досягли достатнього досконалості, щоб забезпечити вимір інтервалів часу з відносною похибкою порядку 10-7, що відповідає середньорічному догляду в одиниці секунд. Таку точність забезпечували годинник, створений британським інженером Вільямом Шортом в 1921 році. Годинники з циферблатом і стрілками, які приводилися в рух секундним маятником, синхронізувалися за допомогою електричного кола по другому, еталонному секундному маятнику, який гойдався в колбі з розрідженою атмосферою. В СРСР цей годинник був значно вдосконалені фізиком і механіком Феодосієм Федченко, який в 1950-х у Всесоюзному науково-дослідному інституті фізико-технічних і радіотехнічних вимірювань (ВНИИФТРИ) створив механізм АЧФ (Астрономічний годинник Федченко) з ізохронним маятником, що забезпечував точність порядку 10- 8 (секунда за десять років). Цей годинник (поряд з появою в той час кварцовими) використовувалися в практичних цілях до 1980-х, ще кілька десятиліть після того, як в 1967 році було введено нове визначення секунди. Нова секунда перестала бути прив'язана до будь-яких астрономічних вимірів, а стала дорівнює 9 192 631 770 періодів випромінювання, відповідного переходу між двома рівнями надтонкої структури ізотопу цезію-133.

атомний маятник

Ідею використовувати атоми в якості стабільного маятника висунув лорд Кельвін в 1879 році. Правда, тоді технологія ще не забезпечувала можливість її реалізації, тому перші експерименти почалися тільки через 60 років. У 1940 роках американські фізики з Колумбійського університету під керівництвом Ісидора Рабі експериментували з цезієм-133, а в Національному бюро стандартів розробили свій еталон на основі аміаку, який, втім, за точністю поступався кварцовим осцилляторам. Вирішальний крок зробив Норман Ремсі з Гарвардського університету, який запропонував концепцію «рознесених осцилюючих полів», яка лягла в основу атомного годинника, а самому Ремсі принесла Нобелівську премію за 1989 рік.

Цезієві атомний годинник першого покоління, а точніше - їх головна частина, надточний генератор (репер), представляли собою довгу вакуумну трубу, в яку за допомогою теплової гармати вистрілювали пучок атомів цезію-133. Атом цезію може перебувати в одному з двох енергетичних станів, і восьміполюсний магніт на вході відсівав одне з них. Далі пучок пролітав через резонатор Ремсі, де пучок мікрохвиль, налаштованих на частоту переходу між цими станами, перекладав частину атомів в інший стан. На виході з труби магніт відсівав частина атомів, які не змінили свого стану, а решта направляв на детектор. Змінюючи частоту мікрохвиль, можна домогтися того, щоб якомога більше атомів змінювало свій стан при прольоті резонатора, і в момент досягнення максимуму ця частота буде в точності відповідати частоті переходу в атомі цезію, що дорівнює 9 192 631 770 Гц (цей процес схожий на настройку радіоприймача , коли ви крутите ручку, домагаючись максимальної гучності і чистоти сигналу).

Принцип дії фонтанного еталона частоти на холодних атомах

«Точність подібних годин може досягати порядку 10-14, - пояснює Віталій Пальчиков, заступник начальника Головного метрологічного центру державної служби часу і частоти (ГМЦ ГСВЧ, входить до складу ВНИИФТРИ) з наукової роботи. - Більш точними такий годинник зробити не можна, тому що процес відбувається при кімнатній температурі, і тепловий рух атомів призводить до появи ефекту Доплера, тобто розширенню резонансної лінії до 100 Гц. Для підвищення точності потрібно охолодити атоми до низьких температур, і такий спосіб був придуманий. Його свого часу запропонував радянський фізик Владилен Летохов, а пізніше його ідею розвинули Чу, Коен-Таннуджи і Філліпс, за що в 1997 році отримали Нобелівську премію з фізики. Метод лазерного охолоджування полягає в тому, що атоми взаємодіють з двома лазерними променями, що мають перпендикулярну поляризацію, і відчувають ряд переходів, віддаючи енергію і вповільнюючись, тобто охолоджуються до декількох сотень мікрокельвіна - це називається сізіфова охолодження ». У 1997 році Міжнародне бюро мір і ваг уточнило визначення секунди: атом цезію повинен спочивати при температурі, близькій до абсолютного нуля, і незабаром в світі з'явилися перші години фонтанного типу.

вартові фонтани

«Вони дійсно схожі на фонтан, - каже Віталій Пальчиков. - Хмара атомів цезію, охолоджене до дуже низьких температур, захоплюють в оптичну пастку і підкидають за допомогою лазерних променів через СВЧ-резонатор. А потім лазери відключаються, і атоми під дією сили тяжіння повільно падають вниз крізь цей же резонатор. Як селектора і детектора використовується ще один лазер, який взаємодіє з хмарою холодних атомів. Такий генератор має точність близько 3-5 • 10-16, тобто 1 секунда за 300 млн років, і зараз використовується практично у всіх основних метрологічних центрах в різних країнах світу, у нас у ВНИИФТРИ два таких фонтану. Точність цього годинника зараз намагаються підвищити. Основне джерело нестабільності частоти фонтану - це чернотельное випромінювання обладнання, і його намагаються або прибрати за рахунок криогенного охолодження, як це роблять в американському Національному інституті стандартів (NIST), або, як це робимо ми і французькі дослідники, шляхом моделювання і обліку відповідних поправок » .

Розробки і відкриття, які в даний час застосовуються в атомних годинниках, принесли своїм авторам чотири нобелівські премії. Норман Ремсі в 1989 році отримав вищу наукову нагороду за винахід методу рознесених осцилюючих полів; Стівен Чу, Клод Коен-Таннуджи і Вільям Філліпс в 1997 році - за розробку методу лазерного охолодження атомів; Джон Холл і Теодор Хенш в 2005 році - за надточну лазерну спектроскопію (методи перетворення оптичних частот - радіочастотний міст), Серж Арош і Девід Вайнленд в 2012-му - за методи маніпуляції і вимірювання параметрів окремих атомів.

Фонтанний генератор - це головна, але не єдина частина еталона часу і частоти. «Це так званий репер, своєрідний камертон, який може в будь-який момент відтворити величину одиниць виміру, - пояснює Ігор Норець, начальник відділу експлуатації державного первинного еталона одиниць часу, частоти і національної шкали часу ГМЦ ГСВЧ. - Він не працює постійно, а лише включається час від часу. А для підтримки безперервної шкали часу використовуються хранителі частоти - водневі СВЧ-генератори (мазери). На довготривалих інтервалах порядку доби їх частота дрейфує, але по добре відомому закону, і це можна врахувати при розрахунку національної шкали. У нашому ГМЦ ГСВЧ таких зберігачів дев'ять. Виробляє їх Нижегородський науково-дослідний приладобудівний інститут «Кварц», і це, мабуть, найточніші у світі водневі генератори. В результаті російська шкала є однією з п'яти найточніших в світі - поряд з німецької (PTB), двома американськими (USNO, NIST) і шкалою Паризької обсерваторії. Відхилення від міжнародної шкали складають не більше 5 нс ».

Оптичні стандарти

Подальше вдосконалення еталона пов'язано в першу чергу з розробкою оптичних стандартів частоти. «У нових стандартах будуть використовуватися не переходи на радіочастотах, а оптичні. Їх частоти на багато порядків вище, а значить, вище точність, - говорить Сергій Слюсарев, начальник відділу оптичних стандартів частоти ВНИИФТРИ. - Такі оптичні стандарти вже розробляються в багатьох дослідницьких інститутах, в тому числі і у нас, вони засновані на взаємодії лазерного випромінювання з окремими атомами або іонами алюмінію, стронцію або ртуті, захопленими в магнітооптичні пастки. Вже зараз існують окремі експериментальні зразки з точністю відтворення частоти порядку 10-17-10-18. Швидше за все, в 2020-х роках відбудеться перехід на такі стандарти, що підвищить точність тимчасової шкали на один-два порядки ».

«Кожні десять років вимоги споживачів до точності годин зростають на порядок, тобто в десять разів, - каже Віталій Пальчиков. - Навіщо потрібні такі точні годинники

В першу чергу для того ж самого завдання, для якої вони знадобилися триста років тому: для навігації. І не тільки супутникової. Годинники на базі оптичних еталонів багато дадуть і науці, і промисловості. Вони досить точні, щоб їх можна було використовувати для прямих гравиметрических вимірювань, - а це принципово новий підхід до навігації, пошуку корисних копалин, та й взагалі вивчення нашого світу ».

Стаття «Про секунди звисока» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №10, Грудень 2015 ).