Атомный эталон времени сообщение
Обновлено: 04.07.2024
Неудобство применения этих единиц для измерений связано с их произвольностью и невозможностью точного воспроизведения. Такое положение для частной жизни было неудобным, а дли науки, техники и промышленности совершенно неприемлемым.
Желание создать для измерений воспроизводимые единицы привело ученых к мысли о возможности использовать для этого движение и вращение Земли. За единицу времени — секунду — была принята длительность 1/86400 части средних солнечных суток. За единицу длины — метр — длина одной сорокамиллионной части меридиана, проходящего через город Париж. За единицу веса — килограмм — вес одного кубического дециметра дистиллированной воды на уровне моря, в средней географической широте, при нормальной температуре. Эта единицы вначале казались вполне удовлетворительными и постепенно были введены почти во всех странах мира.
Однако новые измерения длины меридиана давали более точные данные, которые обусловливали некоторые поправки в длине образцового метра. Тогда были решено сделать образцовый метр-эталон и килограмм-эталон и в дальнейшем уже не менять их величины.
Значительно труднее обстоит дело с единицами времени. Эталоном, с которым согласовываются приборы для измерения времени, является скорость вращения гигантских часов, устроенных самой природой и состоящих из Солнца и Земли. Длительность полного оборота Земли вокруг Солнца называют годом, длительность полного оборота Земли вокруг собственной оси — сутками. Для установления времени в промежутках между его астрономическими определениями применяют часы. В древности для этой цели служили песочные, водяные, огненные часы, в XIV—XV веках — колесные, с XIV века — маятниковые, а в XIX—XX веках — маятниковые и кварцевые астрономические часы высокой точности
Современные астрономические часы
Самой существенной частью часов является маятник, который своими колебаниями отмеряет время. Поэтому в астрономических часах стараются создать возможно лучшие условия для работы маятника: уменьшить его механическую нагрузку, сделать постоянной температуру помещения, устранить толчки, ослабить сопротивление воздуха и т. д. Для этого наиболее точные астрономические часы помещают в глубокий подвал, где круглый год поддерживается определенная температура. Маятник часов при этом заключают в кожух, из которого выкачан воздух. Все это очень важно, так как изменение атмосферного давления только на один миллиметр ртутного столба меняет суточный ход часов с незащищенным маятником на 0,015 секунды.
Весьма высокой точностью обладают астрономические часы с двумя маятниками, где один из маятников, связанный с различными передаточными и указывающими механизмами, управляется другим — свободным. Связь свободного маятника непосредственно с часами осуществляется при помощи электромагнитов. Погрешность хода этих часов составляет 0,002—0,003 секунды в сутки. Такие часы с двумя маятниками построены в СССР в лаборатории Всесоюзного научно-исследовательского института метрологии имени Д. И. Менделеева известным советским механиком И. И. Кваренбергом.
Еще более полно идея свободного маятника осуществлена в астрономических часах с фотоэлектрическим контактом. В них маятник не движет никаких колес, а лишь разрывает при своих качаниях путь светового луча.
В последние годы появились кварцевые астрономические часы. Пластинка из кристалла кварца, соответствующим образом вырезанная и укрепленная, при включении в цепь радиотехнического генератора совершает механические колебания с большим постоянством частоты и очень малым затуханием. Поэтому она может быть использована в часах вместо маятника — нужно только суметь заставить эту систему управлять движением стрелок или иных указателей. Это достигается с помощью специальных устройств, которые доводят частоту колебаний переменного тока до 300— 1000 периодов в секунду и приводят в действие синхронный электромотор, передвигающий стрелки часов.
Погрешность хода кварцевый часов — около 0,0002—0,0003 секунды в сутки, то есть еще меньше, чем у лучших маятниковых астрономических часов.
Эталон времени
Измерения времени имеют большое практическое значение. Являясь основой точных измерений географической долготы местности, они необходимы при составлении карт обширной территории Советского Союза, для создания опорных геодезических пунктов, в решении целого ряда научных и технических задач. Поэтому повышение точности при измерении временя является очень важным. Между тем даже самые лучшие астрономические часы имеют слишком большую для некоторых работ погрешность, причем ошибка в их показаниях с течением времени накапливается. Поэтому такие часы регулярно проверяются с помощью астрономических наблюдений.
Но есть ли уверенность в том, что наш первичный эталон времени — вращение Земли — вполне равномерен? Астрономами наблюдаются периодические колебания движения Луны и внутренних планет. Совпадение этих колебаний между собой указывает на то, что в них повинны не Луна и планеты, а Земля. Таким образом, положение о неизменности угловой скорости вращения Земли ныне фактически опровергнуто. Итак, поскольку вращение Земли является не абсолютно точным эталоном времени, необходимо отыскать другой, лучший и в тому же легко воспроизводимый.
Атомные эталоны
Уже давно стало ясно, сколь многообещающим в отношении точности и воспроизводимости может быть применение в измерительной технике атомных процессов.
Использование атомных колебаний для создания нового эталона времени оказалось крайне затруднительным вследствие того, что их частота очень велика и поэтому трудно связывается с какой-либо механической или электрической системой, указывающей время. Колебания атомов в молекуле происходят с относительно меньшей частотой. Поэтому для указания времени более удобным оказывается использование не атомных систем (электроны и ядро), а молекулярных (несколько связанных между собой атомов). В соответствии с этим такие часы правильнее было бы называть молекулярными.
Частота колебаний маятника обычно невелика (1—2 в секунду) и поэтому не представляет трудностей для создания таких механических или электрических устройств, которые могли бы работать в такт с ним. Одно из этих вспомогательных устройств периодически подталкивает маятник так, чтобы его колебания не затухли, другое, управляемое им, движет указатели времени.
Успехи советских ученых и конструкторов, работающих в области измерения времени, являются результатом упорной и плодотворной работы ряда коллективов научно-исследовательских институтов и обсерваторий, вооруженных передовой отечественной техникой. В настоящее время служба времени Советского Союза по своей точности является одной из ведущих в мире.
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.
Первый атом
Для того чтобы создать часы, достаточно использовать любой периодический процесс. И история появления приборов измерения времени ─ это отчасти история появления либо новых источников энергии, либо новых колебательных систем, используемых в часах. Самыми простыми часами являются, вероятно, солнечные: для их работы необходимо только Солнце и предмет, который отбрасывает тень. Недостатки этого способа определения времени очевидны. Водяные и песочные часы тоже не лучше: они пригодны лишь для измерения сравнительно коротких промежутков времени.
Самые древние механические часы были найдены в 1901 году рядом с островом Антикитера на затонувшем корабле в Эгейском море. Они содержат около 30 бронзовых шестерен в деревянном корпусе размером 33 на 18 на 10 сантиметров и датируются примерно сотым годом до нашей эры.
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.
Лорд Кельвин, предложивший идею атомных часов
Репродукция картины Губерта фон Геркомера (1907)
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.
Изобретатель Гарольд Лайонс (справа) с первыми молекулярными часами (1949 год)
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.
Точность атомных часов увеличивается (по данным Национального института стандартов и технологий США)
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.
Интересно
Время – абстрактное понятие, с которым каждый человек имеет дело ежедневно. Но задумывался ли кто-нибудь о том, откуда берется время? Кто и как именно определяет, который сейчас час? Существует некий эталон времени, на который ориентируются во всем мире.
Что такое эталон времени?
Эталон времени – это научная единица измерения времени, которая воспроизводится первичным эталоном с максимально возможной точностью. Эталонная единица времени – секунда. Секунда и герц являются эталоном единицы времени и частоты.
Ученым пришлось преодолеть несколько сложностей, чтобы выделить наиболее точную постоянную единицу измерения. Первоначально время измеряли на основании вращения планеты вокруг оси. Однако выяснилось, что приливы, отливы могут влиять на продолжительность солнечных суток.
На следующем этапе для измерения начали использовать тропический год (от одного равноденствия до другого). Точность результатов повысилась – секунда соответствовала 1/31556925,9447 тропического года. Руководствуясь данными исследованиями, ученые изобрели маятниковые и кварцевые часы.
В дальнейшем возникла необходимость в новых способах измерения, поскольку кварцевые часы оказались точнее природного эталона. Так появился квантовый генератор, молекулярный хронометр, а для вычисления эталонной единицы в 1967 начали использовать атомный метод.
Атомные часы FOCS 1 (Швейцария)
Благодаря нему удалось максимально снизить погрешность вычисления эталонной секунды. С появлением данного метода секунда начала соответствовать 9 192 631 770 колебаний электромагнитного излучения, которое возникает в процессе перехода между 2-я уровнями сверхтонкой структуры атома цезия-133.
Интересный факт: в разных странах созданы национальные центры, занимающиеся исследованием стандартов измерений. В России это Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений.
Атомные часы
Эталонные атомные часы определяют время при помощи колебаний, связанных с процессами на молекулярном и атомном уровнях. Суть их работы в том, что атомы при определенных условиях испускают электромагнитные волны одинаковой частоты. Атом цезия-133 избран в качестве общепринятого стандарта.
Устройству отводится серьезная роль в навигации, поскольку без него невозможно было бы установить местоположение транспортных средств, ракет, а также использовать спутниковую связь. Они состоят из дискриминатора, генератора и комплекса электроники.
Для их создания подходят лишь определенные атомы – те, что не зависят от внешних воздействий, таких как поля различного происхождения (например, магнитное). Подходящими являются атомы цезия, кальция, рубидия и др. Первичным стандартом является переход атома цезия. Остальные считаются вторичными и сравниваются с цезием – эталонным.
Точность эталонных часов
Для эталонных часов разработали шкалу времени – AT. Однако и этому прибору свойственна некоторая погрешность. Поэтому используется Международное атомное время – TAI. Оно определяется при помощи сравнения показаний атомных часов, которые установлены в различных метрологических учреждениях по всему миру.
В общей сложности существует около 400 таких часов. Как раз при помощи сравнения их показателей и происходит проверка точности эталонных часов. В городе Севр (Франция) располагается Международное бюро мер и весов (МБМВ).
Его основали в 1875 в качестве учреждения, где хранятся эталоны единиц измерения, проводятся метрологические работы, исследования, а также обеспечивается существование единой системы измерений. Регулярно сравнивая показатели атомных часов с эталонными, специалисты бюро анализируют данные и вносят при необходимости коррективы в показания.
Миниатюрные атомные часы, представленные американской компанией Symmetricon в 2011
Также существует такое понятие, как всемирное координированное время – UTC. Именно по этому стандарту регулируют часы во всем мире. Он основывается на системе измерения TAI, но UTC считается более удобным в повседневной жизни. Периодически время UTC корректируется 1-2 раза в год (30 июня либо 31 декабря) путем прибавления одной секунды.
Интересный факт: координирование времени UTC происходит в соответствии со всемирным временем (UT), которое напрямую связано с вращением Земли вокруг своей оси. Так как наша планета постепенно начинает вращаться медленнее (из-за глобального потепления), то в будущем придется чаще вносить поправки в UTC.
Эталоном времени является Международное атомное время TAI. Эталонные часы хранятся в специальном Международном бюро мер и весов, которое расположено во Франции. Регулярно их показания сравнивают с несколькими сотнями других атомных часов на различных метрологических станциях. На основе полученных данных при необходимости вносятся поправки.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Читайте также: