Краткая история атомных часов
Прогресс не следует на месте — совсем сравнительно не так давно в Соединенных Штатах были созданы точные ядерные часы, каковые совершают неточность в одну секунду за 300 миллионов лет. Эти часы, заменившие ветхую модель, которая допускала неточность в одну секунду за сто миллионов лет, сейчас задают стандарт американского гражданского времени. «Лента.ру» решила отыскать в памяти историю создания ядерных часов.
Первые ядерные часы NBS-1
Первый атом
Чтобы создать часы, достаточно применять любой периодический процесс. И история появления устройств измерения времени — это частично история появления или новых источников энергии, или новых колебательных совокупностей, применяемых в часах.
Самыми несложными часами являются, возможно, солнечные: для их работы нужно лишь предмет и Солнце, что отбрасывает тень. Недочёты этого метода определения времени очевидны.
Водяные и песочные часы также не лучше: они пригодны только для измерения относительно маленьких промежутков времени.
Самые древние механические часы были отысканы в 1901 году рядом с островом Антикитера на затонувшем корабле в Эгейском море. Они содержат около 30 медных шестерен в древесном корпусе размером 33 на 18 на 10 сантиметров и датируются приблизительно сотым годом до нэ.
Фрагмент антикитерского механизма
В течение практически двух тысяч лет механические часы были самыми правильными и надежными. Появление во второй половине 50-ых годов семнадцатого века хорошего труда Христиана Гюйгенса «Маятниковые часы» («Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica») с описанием устройства отсчета времени с маятником в качестве колебательной совокупности, стало, возможно, апогеем в истории развития механических устройств для того чтобы типа.
Но мореплаватели и астрономы все равно применяли карты и звёздное небо для определения собственного расположения и правильного времени. Первые же электрические часы изобрел в 1814 году Фрэнсис Роналдс.
Но первый таковой прибор был неточным из-за чувствительности к трансформациям температуры.
Предстоящая история часов связана с применением в устройствах различных колебательных совокупностей. Представленные во второй половине 20-ых годов XX века сотрудниками Лабораторий Белла кварцевые часы применяли пьезоэлектрические особенности кристалла кварца: при действии на него электрического тока кристалл начинает сжиматься.
Современные кварцевые хронометры смогут обеспечить точность до 0,3 секунды в месяц. Но, потому, что кварц подвержен старению, с течением времени часы начинают идти с меньшей точностью.
С развитием ядерной физики ученые внесли предложение применять в качестве колебательных совокупностей как раз частицы вещества. Так показались первые ядерные часы.
Идею о возможности применения ядерных колебаний водорода для измерения времени внес предложение еще во второй половине 70-ых годов девятнадцатого века британский физик лорд Кельвин, но лишь к середине XX века это произошло.
Лорд Кельвин, предложивший идею ядерных часов
В 1930-х годах первооткрыватель и американский физик ядерного магнитного резонанса Исидор Раби начал работату над ядерными часами с цезием-133, но начало войны помешало ему. Уже по окончании войны во второй половине 40-ых годов XX века в Национальном комитете стандартов США с участием Гарольда Лайонсона были созданы первые молекулярные часы, применяющие молекулы аммиака.
Но первые такие устройства измерения времени не были правильными, как современные ядерные часы.
Довольно малая точность была связана с тем, что из-за сотрудничества молекул аммиака между собой и со стенками емкости, в которой пребывало это вещество, изменялась энергия молекул, и их спектральные линии уширялись. Данный эффект весьма похож на трение в механических часах.
Позднее, в 1955 году, Луи Эсссен из Национальной физической лаборатории Англии представил первые ядерные часы на цезии-133. Эти часы накапливали неточность в одну секунду за миллион лет.
Прибор стал называться NBS-1 и начал считаться цезиевым эталоном частоты.
Изобретатель Гарольд Лайонс (справа)
с первыми молекулярными часами (1949 год)
Принципиальная схема ядерных часов складывается из кварцевого генератора, контролируемого дискриминатором по схеме обратной связи. В генераторе употребляются пьезоэлектрические особенности кварца, в то время как в дискриминаторе происходят энергетические колебания атомов, так что колебания кварца отслеживаются сигналами от переходов с различных энергетических уровней в атомах либо молекулах.
Между дискриминатором и генератором находится компенсатор, настроенный на частоту ядерных колебаний и сравнивающий ее с частотой колебаний кристалла.
Атомы, применяемые в часах, должны снабжать стабильные колебания. Для каждой частоты электромагнитного излучения существуют собственные атомы: кальция, стронция, рубидия, цезия, водорода.
Либо кроме того йода и молекулы аммиака.
Эталон времени
С возникновением ядерных устройств измерения времени произошло применять их в качестве универсального эталона для определения секунды. С 1884 года Гринвичское время, считавшееся мировым стандартом, уступило место эталону ядерных часов.
Во второй половине 60-ых годов XX века ответом 12-й Главной конференции мер и весов одну секунду выяснили как длительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями главного состояния атома цезия-133. Такое определение секунды не зависит от астрономических параметров и может воспроизводиться в любой точке планеты.
Цезий-133, применяемый в эталоне ядерных часов, — единственный стабильный изотоп цезия со 100-процентной распространенностью на Земле.
Точность ядерных часов возрастает (согласно данным технологий и Национального института стандартов США)
Ядерные часы употребляются и в спутниковой совокупности навигации; они нужны для определения правильного времени и координат спутника. Так, в каждом спутнике совокупности GPS установлены по четыре набора таких часов: два рубидиевых и два цезиевых, каковые снабжают точность передачи сигнала в 50 наносекунд.
На русских спутниках совокупности ГЛОНАСС также установлены цезиевые и рубидиевые ядерные устройства измерения времени, а на спутниках разворачивающейся европейской геопозиционной совокупности Galileo — водородные и рубидиевые.
Точность водородных часов — самая высокая. Она образовывает 0,45 наносекунды за 12 часов.
По всей видимости, применение Galileo таких правильных часов выведет эту навигационную совокупность в фавориты уже в 2015 году, в то время, когда на орбите будет 18 ее спутников.
Компактные ядерные часы
Hewlett-Packard стала первой компанией, которая занялась разработкой компактных ядерных часов. В первой половине 60-ых годов двадцатого века ею был создан цезиевый прибор HP 5060A размером с громадный чемодан.
Компания и дальше развивала это направление, но с 2005 года реализовала собственный подразделение, разрабатывающее ядерные часы, компании Symmetricom.
Цезиевые часы HP 5060A
В 2011 году эксперты Лаборатории Дрейпера и Сандийских национальных лабораторий создали, а компания Symmetricom выпустила первые миниатюрные ядерные часы Quantum. На момент выпуска они стоили порядка 15 тысяч американских 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 созданы по заказу Пентагона и предназначались для обслуживания навигационных совокупностей, функционирующих независимо от совокупностей GPS, к примеру, глубоко под водой либо почвой.
Уже в конце 2013 года американская компания Bathys Hawaii представила первые «наручные» ядерные часы. В качестве главного компонента в них употребляется чип SA.45s производства компании Symmetricom. В чипа находится капсула с цезием-133.
В конструкцию часов кроме этого входят маломощный лазер и фотоэлементы. Последний снабжает нагревание газообразного цезия, в следствии чего его атомы начинают переходить с одного энергетического уровня на другой.
Измерение времени именно и производится за счет фиксирования для того чтобы перехода. Цена нового прибора образовывает около 12 тысяч долларов.
Наручные ядерные часы
Тенденции к миниатюризации, автономности и точности приведут к тому, что уже в недалеком будущем покажутся новые устройства с применением ядерных часов во всех сферах людской судьбе, начиная с космических изучений на станциях и орбитальных спутниках до бытового применениях в комнатных и наручных совокупностях.
Источник: А. Борисов lenta.ru
Ядерные часы — Юджин Ползик
