Атомные часы история создания кратко
Обновлено: 07.07.2024
Фрагмент антикитерского механизма
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.
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.
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.
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. По всей видимости, использование Galileo таких точных часов выведет эту навигационную систему в лидеры уже в 2015 году, когда на орбите будет 18 ее спутников.
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.
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.
Новым толчком для эволюции часов послужили открытия физиков-атомщиков. Именно они послужили основой для создания самых точных часов — атомных, которые в итоге повлияли даже на то, что единице времени — секунде — было дано новое определение. Но все по порядку.
История изобретения атомных часов
Первые атомные часы были разработаны в 1949 году. В них в качестве источника колебаний, в отличие от маятниковых и кварцевых часов, использовались сигналы, производимые электроном при его переходах с одного квантового уровня атома на другой. Но эти первые часы не получили широкого распространения, так как не отличались точностью, были громоздки и дороги.
Только в 1955 году были созданы атомные часы, в которых использовалась частота колебаний при квантовых переходах электрона в ядре атома цезия. Они были установлены в Национальной физической лаборатории Великобритании. Погрешность хода этих часов составляет отклонение в 1 секунду примерно за 3 млн.лет. Подобная точность послужила причиной того, в 1967 году было принято решение перейти на атомный эталон времени. Это очень облегчило работу хранителей времени и астрономов, которая сталкивалась с целым рядом затруднений из-за того, что вращение Земли замедляется с непостоянной скоростью (примерно 2 миллисекунды за 100 лет) и колебания длительности суток составляют тысячные доли секунды.
По этим причинам точность Гринвичского времени, которое с 1884 года было принятым мировым эталоном, стала недостаточной. Так в 1967 году произошел переход к атомному эталону времени. Теперь ученые отказались от астрономического определения единицы времени. В Международной системе единиц за основную единицу времени была принята атомная секунда, которая равна 9 192 631 770 периодам электромагнитного излучения, возникающего при квантовом переходе атома цезия-133 из одного своего основного состояние в другое. Точность времени, определяемого с помощью атомных часов, в миллион раз выше, чем прежний эталон — астрономическое Гринвичское среднее время.
Особенности атомных часов
Сегодня ученые продолжают работать над усовершенствованием атомных часов. Например, уже разработана технология, позволяющая добиться существенного уменьшения и размеров и стоимости сверхточных атомных часов. Это позволит использовать их в скором времени более широко, например, в самых различных мобильных устройствах.
Новый толчок в развитии устройств для измерения времени был дан физиками-атомщиками.
В 1949-м были построены первые атомные часы, где в качестве источника колебаний выступил не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома.
На практике такие часы оказались не очень точны, к тому же громоздки и дороги и широкого распространения не получили. Тогда было решено обратиться к химическому элементу — цезию. И в 1955-м появились первые атомные часы на основе атомов цезия.
В 1967 году было решено перейти на атомный эталон времени, т. к. вращение Земли замедляется и величина этого замедления — непостоянна. Это значительно затрудняло работу астрономов и хранителей Времени.
В настоящее время Земля вращается с замедлением примерно на 2 миллисекунды за 100 лет.
Колебания длительности суток также достигают тысячных долей секунды. Поэтому точность Гринвичского среднего времени (общепринятого с 1884 года мирового эталона)стала недостаточной. В 1967-м состоялся переход к атомному эталону времени.
Сегодня секунда — это промежуток времени, точно равный 9 192 631 770 периодам излучения, который соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия 133.
На сегодняшний момент в качестве шкалы времени используется Всемирное Координированное Время. Оно формируется Международным бюро мер и весов путем объединения данных лабораторий хранения времени различных стран, а также данных Международной службы вращения Земли. Его точность почти в миллион раз выше, чем астрономическое Гринвичское среднее время.
Разработана технология, которая позволит кардинально уменьшить размеры и стоимость сверхточных атомных часов, что даст возможность широко использовать их в мобильных устройствах самого различного назначения. Ученые смогли создать атомный эталон времени сверхмалых размеров. Такие атомные часы потребляют менее 0,075 Вт и обладают погрешностью не более одной секунды за 300 лет.
Исследовательской группе США удалось создать сверхкомпактный атомный эталон. Стало возможным питать атомные часы от обычных пальчиковых батареек. Сверхточные атомные часы, обычно имеющие, как минимум, метр в высоту, удалось разместить в объеме 1,5х1,5х4 мм.
В США разработали экспериментальные атомные часы на одном ионе ртути. Они в пять раз точнее цезиевых, которые приняты в качестве международного стандарта. Цезиевые часы настолько точны, что расхождение в одну секунду будет достигнуто только через 70 миллионов лет, а для ртутных часов этот срок составит 400 миллионов лет.
В 1982 году в спор между астрономическим определением эталона Времени и победившими его атомными часами вмешался новый астрономический объект — миллисекундный пульсар. Эти сигналы по стабильности не уступают лучшим атомным часам
Знаете ли вы?
Первые часы на Руси
В 1412 году в Москве были поставлены часы на дворе великого князя за церковью Благовещения, а делал их Лазарь, монах-серб, который пришел из Сербской земли. К сожалению, описания этих первых на Руси часов не сохранилось.
Как появились часы-куранты на Спасской башне московского Кремля?
В 17 веке англичанин Христофор Галовей изготовил куранты для Спасской башни: часовой круг был разбит на 17 секторов, единственная стрелка часов была неподвижна, направлена вниз и показывала на какую-либо цифру циферблата, зато сам циферблат вращался.
История создания часов насчитывает несколько тысяч лет. Издавна человек пытался измерить время, сначала по дневному и ночному светилам и звездам, затем с помощью примитивных приспособлений и, наконец, применяя современные высокоточные сложнейшие механизмы, электронику и даже ядерную физику.
История развития часов это непрерывное совершенствование точности измерения времени. Достоверно известно, что в Древнем Египте измеряли время в сутках, разделяя его на два периода по 12 часов. Есть также сведения, что современная шестидесятиричная модель измерения пришла из Шумерского Царства около 2000 года до нашей эры.
Солнечные часы.
Принято считать, что история создания часов начинается с изобретения солнечных часов или гномона. Такими часами представлялось возможным измерять только дневное время, так как в основе принципа их действия лежала зависимость расположения и длины тени от положения солнца.
Водяные часы.
История создания водяных часов начинается в Древней Персии и Китае около 2500 - 1600 года до нашей эры. А оттуда, вполне вероятно с торговыми караванами, водяные часы были завезены в Египет и Грецию.
Огневые часы.
Огненными часами пользовались около 3000 лет тому назад в Китае, во времена первого императора этой страны по имени Фо-хи. Распространены огневые часы были в Японии и Персии.
Песочные часы.
Создание песочных часов датируется приблизительно около III века до нашей эры во времена ученого Архимеда. Местом их изобретения долгое время считалась Древняя Греция, однако некоторые археологические находки позволяют предполагать, что первые песочные часы были созданы жителями Ближнего Востока.
Механические часы.
История создания первых механических часов начинается в 725 году нашей эры в Китае и является значимым событием в истории развития часов. Хотя, еще ранее, предположительно во II-м веке до нашей эры в Древней Греции, был создан механизм, позволяющий отслеживать с большой точностью положения небесных тел. Этот механизм состоял из 30 шестеренок помещенных в корпус из дерева, на лицевой и тыльной сторонах которого имелись циферблаты со стрелками. Этот древнейший механический календарь можно определить как прототип первых механических часов.
Электрические часы.
С открытием электричества берет свое начало история электрических часов, изобретенных в середине XIX века. Создание и дальнейшее развитие электрических часов положило конец неудобству по синхронизации времени в разных частях света.
В 1847 году миру были представлены электрические часы, разработанные англичанином А. Бейном, в основу которых был положен следующий принцип: раскачивающийся посредством электромагнита маятник переодически замыкал контакт, а электромагнитный счетчик, который соединен был системой шестерен со стрелками часов, считывал и ссумировал количество колебаний.
Атомные часы.
В 1955 году история развития часов совершила крутой поворот. Британец Луи Эссен заявил о создании первых атомных часов на цезии-133. Они обладали небывалой точностью. Погрешность составляла одну секунду на миллион лет. Устройство стали считать цезиевым эталоном частоты. Всемирным стандартом времени стал эталон атомных часов.
Электронные часы.
Начало 70-х годов 20-го века является точкой отчета истории создания и развития электронных часов, осуществляющих показ времени не стрелками, а при помощи светодиодов, которые, хотя и были изобретены в середине 20-х годов, практическое применение нашли лишь через десятилетия.
Читайте также: