Есть только миг. Как устроены атомные часы

Часы прошли долгую эволюцию. От солнечных и песочных — до венца часового мастерства – атомных, и этому изобретению скоро исполнится уже 70 лет. За прошедшие годы они сильно изменились — от устройства размером с комнату до чипа, который можно встроить хоть в браслет на руке, хоть в очки. Разбираемся в истории вопроса

Который час?

Люди отсчитывают время уже несколько тысячелетий. Скорее всего, первым «измерителем времени» стал пастушеский посох, воткнутый в землю. За 3000 лет до нашей эры впервые упоминается египетский гномон, фиксирующий изменение дневного времени по движению тени. Очень долго время определяли по вращению планеты. Но способ этот не очень точный: Земля постепенно замедляется, а кроме того, делает это неравномерно. Когда люди поняли это, они пришли к идее часов.

Идея современных хронометров заключается в том, что у нас есть некое физическое действие, стабильно повторяющееся определенное количество раз в секунду. И есть счетчик, который анализирует это, после чего сообщает нам, что прошла секунда.

Для начала рассмотрим принцип старых добрых кварцевых часов. В них установлен кристалл кварца и батарейка, посылающая электрический сигнал. Кварц вибрирует ровно 32 768 раз в секунду (такие у него пьезоэлектрические природные свойства). Цепи в часах измеряют это количество колебаний и преобразуют в единичные электрические импульсы: один импульс в секунду, и стрелка в часах перемещается на одно деление.

В атомных часах (они же молекулярные или квантовые) используются колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул. Источник сигнала — атомы щелочных и щелочноземельных металлов. Электроны в атомах испускают микроволновый сигнал (то есть тоже вибрируют какое-то количество раз), счетчик его фиксирует и принимает значение за секунду.

Стандартом в международной системе единиц измерения СИ для измерения времени стал атом цезия-133. Секунда в СИ определяется как промежуток времени, в течение которого атом цезия-133 совершает 9 192 631 770 переходов между двумя сверхтонкими уровнями.

Помимо цезия-133 также используется стронций. Атомные часы, конечно же, не дают радиоактивного излучения: там не происходит ядерный распад. Они очень похожи на обычные: в них есть электростатическая пружина и кристалл кварца, но колеблется не сам кварц, а электроны в атоме.

Точность в абсолюте

После определенного количества вибраций кварцевый кристалл начинает терять энергию и замедляться, что приводит к неправильному измерению секунд. Как правило, часы начинают спешить, и их приходится пару раз в год подводить. Однако со временем и этого уже недостаточно, потому что кристалл кварца изнашивается слишком сильно. Но при всем этом кварцевые механизмы все-таки гораздо точнее механических: погрешность хода составляет ±15 секунд в месяц, тогда как у механики — ±20 секунд в день. Есть и рекордсмены: ±5 секунд в год.

Казалось бы, этого вполне достаточно. На бытовом уровне — да. Но современным ученым нужно делить секунды даже не на сотни, а на миллионы, миллиарды частей. Заставить это делать часы с механическими деталями невозможно. Даже если бы удалось, износ практически сразу уничтожил бы такую опытную модель. Отклонение же цезиевых часов — 1 секунда за 138 млн лет, и это еще не рекорд (о нем чуть дальше).

Идея и решение

Впервые идею создать атомные часы предложил физик из Англии Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1879 году. Он подумал, что можно использовать колебания частиц водорода, чтобы более точно отслеживать время. Это была только теория, а техническое воплощение для нее нашли только 70 лет спустя, в 1949 году, когда в Национальном бюро стандартов США с участием Гарольда Лайонсона были созданы часы, использующие молекулы аммиака. Правда, точность у них была не такая высокая, как у современных часов, потому что из-за взаимодействия молекул аммиака между собой и со стенками емкости, в которой находилось это вещество, изменялась энергия молекул и абсорбционные линии расширялись, что затрудняло определение частоты квантового перехода.

Решить эту проблему смогли ученые А. М. Прохоров и Н. Г. Басов в СССР и Таунс из Колумбийского университета в США. Метод узкого пучка свободно летящих молекул аммиака позволил существенно снизить вероятность взаимных столкновений молекул и практически устранить расширение спектральной линии. А дальнейшие попытки усовершенствовать часы привели к созданию первого квантового генератора — аммиачного мазера. В 1964 году Нобелевская премия по ­физике была разделена: одна ее половина была присуждена Таунсу, другая — Прохорову и Басову, правда, не за часы, а «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа мазера — лазера».

Работать над атомными часами с цезием-133 начал американский физик и первооткрыватель ядерного магнитного резонанса Исидор Раби. Дело было еще в 1930-х годах, однако начало войны помешало его планам. Но идея витала в воздухе. В 1955 году Луи Эссен из Национальной физической лаборатории Великобритании представил первые атомные часы на цезии-133, которые накапливали ошибку в одну секунду за миллион лет. Прибор получил название NBS-1 и стал считаться цезиевым эталоном частоты. Но технологии не стояли на месте. Ученые работали над улучшением показателей атомных часов. Например, в 2014 году Национальный институт стандартов и технологий (NIST) министерства торговли США ввел в строй новые атомные часы NIST-F2, которые накапливают ошибку в одну секунду в течение 300 миллионов лет. Работают такие часы при температуре минус 193 градуса Цельсия. А в качестве основного элемента используется не цезий, а иттербий.

Знай наших

Но оказалось, что и это не предел! В 2016 году российским ученым из Физического института имени Лебедева удалось создать самые точные в мире атомные часы с минимальной погрешностью. А в 2023 году российским ученым из Центра разработки и внедрения перспективных технологий ВНИИФТРИ удалось импортозаместить квантовые часы для навигации и связи с более высоким стандартом частоты, чем у зарубежных производителей. Разработку планируется запустить в серию, и тогда их стоимость составит 200 тысяч рублей (аналоги стоят как минимум в пять раз больше). Также изобретатели ВНИИФТРИ трудятся над созданием еще одного прототипа квантовых часов — более простыми и технологичными, а соответственно, менее дорогими.

Вопрос престижа

Надо сказать, что модели часов, показывающие время с точностью атомного источника (так называемые радиочасы) существуют достаточно давно, но такие часы принимают сигналы точного времени по беспроводной связи от системы передающих базовых станций с атомными часами. По сути, владение «настоящими» атомными часами — исключительно вопрос престижа. Но мы уверены, что рано или поздно такая модель на рынке появится.

Как это работает?

Рассказать коротко и ясно об устройстве атомных часов довольно сложно, но мы попробуем. Речь пойдет о самых распространенных — цезиевых. Этот хронометр состоит из радиоактивной камеры, кварцевого генератора (все того же кристалла кварца), детектора, нескольких тоннелей для атомов цезия и магнитных фильтров, сортирующих атомы низкой и высокой энергии.

Для измерения времени часы используют свойства атомов цезия. В начале процесса хлорид цезия нагревается, создавая поток ионов цезия. Затем ионы проходят через магнитное поле, которое делит их на две группы: высокой и низкой энергии.

Группа ионов с низкой энергией проходит через радиационную камеру, где облучается с частотой 9 192 631 770 раз в секунду, что точно совпадает с резонансной частотой атомов цезия, заставляя их изменить свое энергетическое состояние.

Затем с помощью фильтра высокоэнергетичные атомы отделяются от низкоэнергетичных. Если частота излучения смещена, то высокоэнергетические атомы остаются. Они попадают на детектор, который преобразует их в электрический ток, необходимый для работы кварцевого генератора, контролирующего частоту в радиационной камере и, следовательно, точность измерения времени.

Если кварцевый генератор начинает терять энергию, излучение в камере ослабевает. Это означает, что количество атомов цезия, переходящих в состояние высокой энергии, уменьшается. Такой сигнал активирует резервную электрическую цепь, отключающую генератор и корректирующую частоту с целью обеспечить очень точное измерение времени. Затем фиксированная частота делится на 9 192 631 770, формируя импульс, который отсчитывает секунды.

Цезий-133 и другие варианты

Логичный вопрос: почему именно цезий-133 выбран для работы в атомных часах? Ответ прост: не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов.

Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. А цезий-133 — единственный стабильный изотоп химического элемента цезия с атомным номером 55 и массовым числом 133.

Но есть и другие варианты. Например, сейчас в лабораториях работают в основном над созданием часов на основе атомов стронция или иттербия, способных излучать или поглощать фотоны в видимой части спектра. Также работают с рубидием, алюминием, ртутью. А в российском ФИАН занимаются тулием.

Также российские физики изучают принципиально новую схему — ядерные часы, где переходы не электронов, а изомеров (метастабильных состояний ядра, в которых один или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают более высокие или низкие энергетические уровни. Ожидается, что такие часы будут на порядок точнее, чем лучшие современные оптические атомные часы.

Есть пределы совершенству?

Глобальная задача современных ученых — довести точность современных оптических часов до ошибки менее одной секунды за время существования Вселенной. И они уверены, что этот момент близок! А отвечая на вопрос, зачем это вообще нужно, можно привести ответ ведущего научного сотрудника ФИАН Ксении Хабаровой:

— Сегодня мы живем в эпоху, когда возникла необходимость измерять малые величины. Мы уже научились определять местоположение человека с точностью менее одного метра с помощью спутников ГЛОНАСС и тех атомных часов, которые расположены на Земле. Для того чтобы просто ходить или ездить по дорогам, этого достаточно. Дальше увеличивать точность нужно и можно. На данный момент мы еще не дошли до того, чтобы запустить оптические часы на орбиту. Также хотелось бы научиться работать с оптическими часами не только в лабораторных, но и в полевых условиях. Это откроет новые возможности для релятивистской геодезии. Одно из практических применений транспортируемых оптических часов — поиск в земле полостей или мест с большим скоплением плотного материала, которыми могут быть полезные ископаемые. Для этого, в частности, и нужны сверхчувствительные часы.