Схема цезиевого фонтана с оптической патокой.
Охлаждённые лазерами атомы цезия начинают двигаться медленно, словно сквозь патоку. Их скорость падает до трёх метров в секунду. Уменьшение скорости атомов даёт исследователям возможность более точного детектирования состояния (согласитесь, значительно проще рассмотреть номера машины, двигающейся со скоростью один километр в час, чем машины, двигающейся со скоростью сто километров в час).
Шар из охлаждённых атомов цезия запускается вверх примерно на метр, по пути проходя волновод, через который на атомы воздействует электромагнитное поле резонансной частоты. И детектор системы фиксирует изменение состояния атомов в первый раз. Достигнув "потолка", охлаждённые атомы начинают падать благодаря силе тяжести и проходят волновод во второй раз. На обратном пути детектор снова фиксирует их состояние. Поскольку атомы двигаются чрезвычайно медленно, их полёт в виде достаточно плотного облака легко контролировать, а значит, в фонтане не будет одновременно летящих вверх и вниз атомов.
Установка Чу на основе цезиевого фонтана была принята NBS в качестве стандарта частоты в 1998 году и получила название NIST-F1. Её погрешность составляла 4*10-16, а значит, NIST-F1 была точнее предшественника NIST-7.
Фактически в NIST-F1 был достигнут предел точности измерений состояния атомов цезия. Но учёные на этой победе не остановились. Они решили устранить погрешность, которую вносит в работу атомных часов излучение абсолютно чёрного тела - результат взаимодействия атомов цезия с тепловым излучением корпуса установки, в которой они двигаются. В новом атомном хронографе NIST-F2 цезиевый фонтан размещался в криогенной камере, сводя излучение абсолютно чёрного тела практически к нулю. Погрешность NIST-F2 равна невероятной величине 3*10-17.
График уменьшения погрешности вариантов цезиевых стандартов частоты
В настоящее время атомные часты на основе цезиевых фонтанов дают человечеству точнейший эталон времени, относительно которого бьётся пульс нашей техногенной цивилизации. Благодаря инженерным ухищрениям импульсные водородные мазеры, которые охлаждают атомы цезия в стационарных вариантах NIST-F1 и NIST-F2, были заменены на обычный лазерный луч, работающий в паре с магнитооптической системой. Это позволило создать компактные и очень устойчивые ко внешним воздействиям варианты стандартов NIST-Fx, способные трудиться в космических аппаратах. Весьма образно названные "Aerospace Cold Atom Clock", эти стандарты частоты установлены в спутниках таких навигационных систем, как GPS, что и обеспечивает их потрясающую синхронизацию для решения задачи очень точного вычисления координат приёмников GPS, используемых в наших гаджетах.
Компактный вариант атомных часов на основе цезиевого фонтана, называемый "Aerospace Cold Atom Clock", используется в спутниках системы GPS
Вычисление эталонного времени выполняется "ансамблем" из десяти NIST-F2, расположенных в различных исследовательских центрах, сотрудничающих с NBS. Точное значение атомной секунды получается коллегиально, и тем самым устраняются различные погрешности и влияние человеческого фактора.
Однако не исключено, что однажды цезиевый стандарт частоты будет восприниматься нашими потомками как весьма грубый механизм измерения времени, подобно тому, как ныне мы снисходительно смотрим на движения маятника в механических напольных часах наших предков.
Читайте также: История хронометрирования. Как сделать часы, которые не будут сбиваться? В старину время считали по движению космических тел, потом придумали системы с маятниками, но и они несовершенны.
Стрелы времени: история хронометрирования
Автор: Евгений Лебеденко, Mobi.ru
Опубликовано 10 января 2012 года
Время. Удивительно многогранная категория, нашедшая свое место и у физиков (мера движения материи, координата четырёхмерного пространства-времени), и у лириков, развёртывающих на страницах своих произведений удивительные события жизни героев, нанизанные на метафизическую "стрелу времени", и у философов, веками ищущих ответы на "хронические" вопросы.
Но и физики, и лирики, и даже всезнающие философы сходятся на том, что время нужно измерять. И очень точно. Зачастую от точности измерения зависит не только то, сколько минут придётся томиться влюблённому в ожидании опаздывающей половинки, но и сугубо утилитарные вещи, на которых держится наша цивилизация: спутниковая связь и навигация, электроснабжение, координация действий в таких сложнейших транспортных и коммуникационных системах, как авиалинии, железнодорожный транспорт и глобальные компьютерные сети. Малейшая ошибка тут способна обернуться катастрофой. Доля секунды может стать новым мировым рекордом или спасти чью-то жизнь. Главное - узнать её, измерить и действовать вовремя и наверняка.
Хронометрирование - одно из древнейших искусств, которые человечество оттачивало веками. Пытливые умы без устали искали и продолжают искать способы измерять время с максимально возможной точностью. И если до недавней поры они обращали свои взоры к небесам, вопрошая о точном времени космические объекты, то сегодня учёные измеряют время, вглядываясь в структуру атома и разрабатывая всё более совершенные атомные часы.
Думается, никто не будет оспаривать простую истину: измерить время можно, только рассматривая какое-либо периодическое событие. Благодаря восходам и закатам мы делим нашу жизнь на дни и годы. Студенты отмеряют семестры "от сессии до сессии", а несбыточные желания люди традиционно связывают с непериодическими событиями ("когда рак на горе свистнет", например, и тому подобное).
Источники периодических событий обычно называют резонаторами. Согласно закону сохранения энергии (которая затрачивается на каждое периодическое событие), резонатор сам по себе существовать не может - ему необходим источник энергии. В случае периодического движения по нашему небосводу планет и звёзд это гравитационная энергия, для маятника в механических часах - это кинетическая энергия пружины, ну а будильник в вашем смартфоне "питается" аккумулятором.
Система "резонатор - источник энергии" именуется осциллятором. Именно благодаря ему у людей появляется возможность измерить время. Осциллятор порождает периодическое событие с определённой частотой f, которая является обратной величиной периода его колебаний T-f=1/T. Несложные математические манипуляции позволяют трансформировать эту формулу в вид, удобный для измерения времени, - T=1/f. Таким образом, единица времени может быть получена путём изменения частоты работы осциллятора.
Но тут возникает проблема, связанная с точностью осциллятора. Стоит пружине, питающей маятник, ослабнуть, и частота, с которой он раскачивается, станет другой. Значит, изменится и период колебаний, который мы принимаем за единицу времени. Выходит, "тик-таки" только что заведённых часов вовсе не такие, как "тик-таки" часов с заканчивающимся подзаводом. Мы начинаем опаздывать, потому что другие осцилляторы порождают другие периоды колебаний.
Расхождение частоты осциллятора относительно его номинала в хронометрии называют мерой неопределённости частоты и обозначают Δf.
Что же мы делаем, чтобы не опаздывать (или не торопиться - осцилляторы-то могут и вперед убегать)? Правильно: смотрим телевизор и слушаем радио, где "передают сигналы точного времени". Ага! Значит, есть всё-таки в мире самый главный осциллятор, мера неопределённости частоты которого так мала, что её можно устремить к нулю!
Как же выглядит сей грандиозный прибор, и в каком секретном бункере он хранится? На самом деле в разные времена роль осциллятора всех осцилляторов выполняли разные колебательные системы. И за наблюдение за ними отвечали разные организации.
Что именно считать эталоном единицы измерения времени, решают коллегиально. Для этого существует Генеральная конференция мер и весов (CGPM), утверждающая в рамках системы единиц измерения SI секунду - базовый отрезок времени, из множества которых и складывается вселенская стрела времени.
Точность эталонного осциллятора напрямую зависит от технологических возможностей человечества. В сущности, поиск идеального осциллятора - это и есть главнейшая задача хронометрирования. Веками решать её метрологам помогали только астрономы. Но в прошлом столетии к ним подключились физики и химики.
В стародавние времена выбор вариантов идеального осциллятора был весьма ограничен. Самым очевидным из них была наша планета, суточное вращение которой вокруг своей оси является более-менее периодичным. Именно поэтому долгое время секунда была равна 1/86400 доле продолжительности солнечных суток. Позже, однако, выяснилось, что точность этого природного осциллятора далека от идеала. Дело в том, что на продолжительность солнечных суток влияют притяжения Солнца и Луны, увеличивая, пусть и незначительно, длительность эталонной секунды. Усреднение продолжительности солнечных суток частично решило эту проблему, но для увеличения точности в 1956 году солнечную секунду пришлось заменить эфемеридной.
