Прогрес не стоїть на місці ─ зовсім недавно в США були створені високоточні атомні годинники, які роблять помилку в одну секунду за 300 мільйонів років. Цей годинник, якими замінено стару модель, яка допускала помилку в одну секунду за сто мільйонів років, тепер задають стандарт американського цивільного часу. «Лента.ру» вирішила згадати історію створення атомного годинника.
Для того щоб створити годинник, досить використовувати будь-який періодичний процес. І історія появи приладів вимірювання часу ─ це почасти історія появи яких нових джерел енергії, або нових коливальних систем, використовуваних в годиннику. Найпростішими годинами є, ймовірно, сонячні: для їх роботи необхідно тільки Сонце і предмет, який відкидає тінь. Недоліки цього способу визначення часу очевидні. Водяні і пісочний годинник теж не краще: вони придатні лише для вимірювання порівняно коротких проміжків часу.
Найдавніші механічний годинник були знайдені в 1901 році поряд з островом Антикітери на затонулому кораблі в Егейському морі. Вони містять близько 30 бронзових шестерень в дерев'яному корпусі розміром 33 на 18 на 10 сантиметрів і датуються приблизно сотим роком до нашої ери.
Фрагмент Антикітерський механізму
Фото: Marsyas / Wikipedia.org
Протягом майже двох тисяч років механічний годинник був найточнішими і надійними. Поява в 1657 році класичної праці Християна Гюйгенса «Маятникові годинник» ( «Horologium oscillatorium, sive de motu pendulorum an horologia aptato demonstrationes geometrica») з описом пристрою відліку часу з маятником як коливальні системи, стало, ймовірно, апогеєм в історії розвитку механічних приладів такого типу.
Однак астрономи і мореплавці все одно використовували зоряне небо і карти для визначення свого місця розташування і точного часу. Перші ж електричний годинник винайшов в 1814 році Френсіс Роналдсей. Однак перший такий прилад був неточним через чутливість до змін температури.
Подальша історія годинника пов'язана з використанням в пристроях різних коливальних систем. Представлені в 1927 році співробітниками Лабораторій Белла кварцові годинники використовували п'єзоелектричні властивості кристала кварцу: при впливі на нього електричного струму кристал починає стискатися. Сучасні кварцові хронометри можуть забезпечити точність до 0,3 секунди в місяць. Однак, оскільки кварц схильний до старіння, з плином часу годинник починає йти з меншою точністю.
З розвитком атомної фізики вчені запропонували використовувати в якості коливальних систем саме частки речовини. Так з'явилися перші атомні годинники. Ідею про можливість використання атомних коливань водню для вимірювання часу запропонував ще в 1879 році англійський фізик лорд Кельвін. однак тільки до середини XX століття це стало можливим.
Лорд Кельвін, який запропонував ідею атомного годинника
Репродукція картини Губерта фон Геркомера (1907)
У 1930-х роках американський фізик і першовідкривач ядерного магнітного резонансу Ісидор Рабі почав працювати над атомним годинником з цезієм-133, однак початок війни завадило йому. Вже після війни в 1949 році в Національному комітеті стандартів США за участю Гарольда Лайонсона були створені перші молекулярні годинник, що використовують молекули аміаку. Але перші такі прилади вимірювання часу були точними, як сучасні атомні годинники.
Відносно мала точність була пов'язана з тим, що через взаємодії молекул аміаку між собою і зі стінками ємності, в якій знаходилося це речовина, змінювалася енергія молекул, і їх спектральні лінії розширюються. Цей ефект дуже схожий на тертя в механічному годиннику.
Пізніше, в 1955 році, Луї Есссен з Національної фізичної лабораторії Великобританії представив перший атомний годинник на цезіі-133. Цей годинник накопичували помилку в одну секунду за мільйон років. Прилад отримав назву NBS-1 і став вважатися цезієвим еталоном частоти.
Винахідник Гарольд Лайонс (праворуч) з першими молекулярними годинами (1949 рік)
Принципова схема атомного годинника складається з кварцового генератора, контрольованого дискримінатором за схемою зворотного зв'язку. У генераторі використовуються п'єзоелектричні властивості кварцу, тоді як в дискримінаторі відбуваються енергетичні коливання атомів, так що коливання кварцу відслідковуються сигналами від переходів з різних енергетичних рівнів в атомах або молекулах. Між генератором і дискримінатором знаходиться компенсатор, налаштований на частоту атомних коливань і порівнює її з частотою коливань кристала.
Атоми, що використовуються в годинах, повинні забезпечувати стабільні коливання. Для кожної частоти електромагнітного випромінювання існують свої атоми: кальцію, стронцію, рубідію, цезію, водню. Або навіть молекули аміаку і йоду.
З появою атомних приладів вимірювання часу стало можливим використовувати їх в якості універсального еталону для визначення секунди. З 1884 року Гринвічем час, яке вважалося світовим стандартом, поступилося місцем ідеалу атомного годинника. У 1967 році рішенням 12-ї Генеральної конференції мір і ваг одну секунду визначили як тривалість 9192631770 періодів випромінювання, відповідного переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133. Таке визначення секунди не залежить від астрономічних параметрів і може відтворюватися в будь-якій точці планети. Цезій-133, який використовується в ідеалі атомного годинника, ─ єдиний стабільний ізотоп цезію зі 100-відсотковою поширеністю на Землі.
Точність атомних годинників збільшується (за даними Національного інституту стандартів і технологій США)
Атомний годинник використовуються і в супутниковій системі навігації; вони необхідні для визначення точного часу і координат супутника. Так, в кожному супутнику системи GPS встановлені по чотири комплекти таких годин: два рубідієвих і два цезієвих, які забезпечують точність передачі сигналу в 50 наносекунд. На українських супутниках системи ГЛОНАСС теж встановлені цезієві і рубідієві атомні прилади вимірювання часу, а на супутниках розгортається європейської геопозиційному системи Galileo ─ водневі і рубідієві.
Цезієві годинник HP 5060A
Наручний атомний годинник
Тенденції до мініатюризації, автономності та точності приведуть до того, що вже в недалекому майбутньому з'являться нові пристрої з використанням атомного годинника у всіх сферах людського життя, починаючи з космічних досліджень на орбітальних супутниках і станціях до побутового застосуваннях в кімнатних і наручних системах.