Первая попытка коммерциализировать атомные часы оказалось не слишком удачной. Сегодня же потомок «Atomichron» - ядерные часы - активно используются в самых разных областях техники.
Фото: National Physical Laboratory
Колебания, задающие временную периодичность в атомных часах, происходят в электронах. Каждый электрон может быть в обычном или в некотором возбужденном состоянии, то есть с большей энергией, чем обычно. При переходе в более низкое энергетическое состояние он излучает электромагнитный квант, фотон. На улетающий квант света можно смотреть как на осциллирующее, колеблющееся, электромагнитное поле. Так вот, период осцилляции дает нам единицу времени. С помощью таких колебаний сейчас определяется сама секунда – это промежуток времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями F = 4, M = 0 и F = 3, M = 0 основного состояния атома цезия-133 при абсолютном нуле и отсутствии внешних воздействий.
Но самыми точными из известных являются ядерные часы. Они отличаются от атомных тем, что в них энергетический переход происходит в самом ядре атома. Удобным ядром оказалось ядро изотопа торий-229. Как в атомах снаружи бывает какой-то электрон, так же в этом ядре снаружи оказался нейтрон. Четное число протонов и четное число нейтронов создают поле, в котором этот нейтрон движется. При этом у него есть очень низкое по ядерным масштабам возбужденное состояние. Схема абсолютно та же — возбужденный нейтрон переходит в более низкое энергетическое состояние и испускает фотон. Энергетический переход можно возбуждать ультрафиолетовым лазером, частоту которого можно очень точно настраивать.
У ядра есть преимущество перед атомом. Точность атомных часов ограничена тем, что на сам атом есть какие-то внешние воздействия. Скажем, захватили этот атом в какую-то ловушку, а ее стенки — источники теплового излучения, которое немножечко меняет частоту его излучения. Возникают ошибки в частоте колебаний, потому что уровни энергий электронов в атоме смещаются. Кроме того, есть еще электромагнитные поля вокруг атомных часов, это тоже влияет на уровни энергий. А ядро спрятано глубоко внутри атома, поэтому влияния всех этих внешних факторов на него в тысячи раз меньше.
Ядерные часы пока еще объект исследований. А атомные часы уже широко используются на практике. Они важны в навигации. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (GPS, ГЛОНАСС, Galileo) немыслимы без атомных часов. Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио.
Напомним, что первым атомные часы предложил в 1945 году профессор физики Колумбийского университета Исидор Раби. Он использовал технику магнитного резонанса, которую сам создал в 1930-х годах, когда работал молекулярными и атомными пучками. Этот же метод позволил ему после Второй мировой войны измерить магнитный момент электрона с невиданной точностью. Первые в мире атомные часы на основе атомов цезия были созданы в 1952 г.
Коммерческие часы «Atomichron» не стали хитом продаж и разошлись всего лишь в 50 экземплярах.
В повседневной жизни миллиарды людей пользуются массовыми, дешевыми часами с теми или иными погрешностями, периодически делая поправку на точное время. В гаджетах же есть опция точного времени через местных операторов мобильной связи.операторов мобильной связи.
Владимир Тесленко