Атомы: как цезий устанавливает эталон времени

С античности слово «атом» играет важную роль в истории: от латинского atomus, термин использовали для обозначения самой маленькой единицы времени. Впервые он упоминается в Греческом Новом Завете в значении «мгновение ока». В современной науке для определения секунды используют не термин, а настоящие атомы цезия. Первый коммерческий аналог атомных часов «Атомихрон» представила National Company of Malden, Массачусетс, 3 октября 1956 года в Нью-Йорке. В исторической рубрике «Имени языка Эйнштейна» разбираемся в устройствах для определения времени и работе самых точных мировых часов.

До атома
Еще до нашей эры люди использовали примитивные способы измерения времени. В Древнем Египте 4000 лет назад сутки делили на 12 часовых периода, ориентируясь по солнечной тени от колонны на циферблате. Такой метод требовал корректировки в зависимости от времени года. В III веке до нашей эры древнегреческий изобретатель Ктесибий создал водяные часы. По мере наполнения емкости поплавок поднимался, и указывал на линии, начерченные на колонне. По прошествии суток колонна поворачивалась, а полный поворот совершала за год. «Часовые» линии были нанесены неравномерно, учитывая разницу в летней и зимней продолжительности светового дня.

В XIV веке были изобретены часы на штыревом спусковом механизме. Спустя еще 200 лет естествоиспытатель Роберт Гук создал пружинные часы. В них энергия от заведенной пружины передавалась на барабан, который запускал остальной механизм. В XVII веке широкое распространение получили маятниковые часы, приводимые в действие колебаниями небольшого груза. Они оставались самыми точными на протяжении трех веков.

Принцип работы штыревого спускового механизма

Вертикальный стержень (штырь v) крепится к средней части и имеет две небольшие пластинки (лопатки p, q): одна сверху штыря, а другая снизу. Лопатки повернуты относительно друг друга на чуть более 90 градусов. Спусковая шестерня (с) имеет форму короны и вращается относительно вертикальной оси. В этот момент ее зуб толкает верхнюю лопатку, механизм начинает двигаться и пластинки попеременно входят в зацепление, что позволяет системе вращаться без дополнительного импульса.

 

Нематериальный эталон
Первым идею атомных часов в середине XIX века возникла у физика Джеймса Максвелла. Он считал, что для измерения времени необходимо использовать систему, которая была бы свободна от материальных эталонов, точные копии которых невозможно создать. Друг Максвелла Лорд Кельвин поддержал теорию и предложил использовать атомы, так как их физические свойства абсолютно одинаковые и не зависят от местоположения во Вселенной.

Каждый электрон в атоме расположен на определенном энергетическом уровне, которые в совокупности образуют слои. Если стимулировать внешние электроны микроволновым излучением, то они могут переходить на «свободные» уровни. Такие «прыжки» создают волну, индивидуальную для каждого элемента, что позволяет использовать ее частоту и период для расчета времени.

Аммиак vs Цезий
В XX веке было сделано много открытий в области квантовой механики и микроволновой электроники, что позволило группе ученых национального Бюро Стандартов под руководством Гарольда Лайонса представить прототип атомных часов в 1948 году. В качестве источника колебаний в разработке использовали молекулу аммиака.

Принцип работы атомных часов

Чтобы «активировать» энергетический переход электронов, необходимо подать на них сигнал определенной микроволновой частоты. Атомы пропускают через генератор такого излучения, и датчики фиксируют создаваемую этими «прыжками» волну.

Однако часы Бюро Стандартов оказались недостаточно точны. Молекулы аммиака взаимодействуют между собой и со стенками емкости, в которой находятся. Это приводит к изменению частоты колебаний, а следовательно, погрешности.

В устройстве следующих часов в качестве источника колебаний использовали цезий. Его атомы тяжелее молекул аммиака, что уменьшает скорость прохождения через генератор и увеличивает точность измерений. Также он нечувствителен к внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. Сегодня существует несколько видов атомных часов со схожим принципом работы: на основе кальция, рубидия, стронция и молекулы водорода.

В 1967 году было принято, что секунда — это 9 192 631 770 периодов колебания атома цезия-133. Эталоном для атомной секунды стало Эфемеридное время — астрономическое время, определенное по орбитальному положению Солнца и Луны относительно Земли с учетом неравномерности вращения тел в течение года.

Современное применение
Цезиевые часы используют в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в базовых станциях мобильной связи. Навигация космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок и передвижение по спутниковой связи GPS также невозможны без высокоточных атомных часов.

Определяют местоположение следующим образом: приемник на Земле измеряет пройденное сигналом от спутника расстояние в секундах и умножает это значение на скорость света. В таком случае если часы ошибутся хотя бы на наносекунду, погрешность составит около 30 метров.

текст: Олеся ЛЕДОВИЧ
иллюстрации: wikipedia.org,
Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology,
National Physical Laboratory