Атомные часы

На протяжении сотен лет у человечества был единственный хронометр – наша планета с ее каждодневными сменами времени суток. С изобретением солнечных часов, отображающих время движением по циферблату отбрасываемой гномоном тени, люди научились измерять часы. Впервые солнечные часы упомянуты в гробнице древнеегипетского фараона Сети I (1306—1290 гг. до н. э.). Этот тип часов, к сожалению, может работать исключительно днем, да и то лишь в солнечную погоду.

Несколько позже были изобретены независимые от солнца водяные часы (клепсидра). Они состояли из двух сосудов – верхнего и нижнего. Верхний сосуд был заполнен водой и внизу имел отверстие. Полностью вода из верхнего сосуда вытекала за определенный отрезок времени. Водяные часы были распространены еще со времен ассиро-вавилонян и Древнего Рима. У римлян, например, водяные часы использовались для регламентирования времени выступления ораторов: закончить речь и покинуть трибуну выступающий должен был сразу, как в резервуаре кончалась вода, т.е. когда «время истекло».

Продолжением идеи измерять время отрезками стали песочные часы. Они появились в VIII веке. Песочные часы – это два одинаковых герметичных стеклянных сосуда, соединенных узкой горловиной. Один из сосудов заполнен песком. Количество песка строго соответствует промежутку времени, за который он полностью пересыплется в нижний сосуд. За свою неприхотливость песочные часы очень полюбились мореплавателями. До сих пор на флоте существует выражение «отбить склянки» — ударом колокола отмечают промежуток времени (ранее для этого требовалось еще и перевернуть песочные часы — «склянки»).

В 1656 году произошел прорыв в измерении времени – физик Гюйгенс изобрел маятниковые часы. Как известно, качение маятника определенной длины происходит за одинаковый промежуток времени, а это обеспечивает равномерность хода часов. Конструкция маятниковых часов многократно совершенствовалась. Со временем громоздкие часовые механизмы превратились в удобные карманные и наручные механические часы, где вместо длинного маятника стал использоваться маятник пружинный.

С развитием радиотехники на смену пружине пришел кварц. Дело в том, что пьезокристал кварца в переменном электрическом поле колеблется со строго определенной частотой. Именно это свойство и применили в новых часах. Кварцевые часы состоят из генератора импульсов, делителя импульсов и механической части с шаговым двигателем.

Современный стандарт времени – атомные часы. Еще в 1879 г. физик лорд Келвин предложил использовать в качестве стандарта частоты атом водорода, но симбиоз науки и техники на тот момент не обладал возможностями и потенциалом для создания атомного хронометра. Первые часы, основанные на частоте колебаний при сверхбыстрых переходах энергии в ядре атома цезия, построены в 1955 году в Великобритании. В 1958 году в качестве стандарта секунды принята продолжительность, равная «9 192 631 770 периодов излучения, соответствующая переходу между двумя сверхтонкими уровнями стандартного состояния атома изотопа цезия-133».

Jack Parry и Louis Essen у цезиевого резонатора первых атомных часов NPL.

В атомном осцилляторе в качестве источника резонансной частоты используют квантовые энергетические уровни атомов или молекул. Само устройство состоит из квантового дискриминатора и кварцевого автогенератора колебаний. В первом блоке атомы возбуждаются газоразрядными лампами и регистрируются колебания атомной линии, во втором — генерируется частота, которая постоянно сравнивается с частотой атомной линии, что позволяет генератору подстраиваться. Поддержание работы этих устройств, и вывод результата, обеспечивает электроника.

Атомные часы имеют поразительную точность измерения времени. Еще недавно они были способны отставать или убегать не более чем на одну секунду за 3 миллиона лет. Но этот предел точности уже покрыт. Английские атомные часы NPL-CsF2 накапливают погрешность в одну секунду за 138 миллионов лет.

 311 total views,  2 views today

Поделиться

Об авторе

Редактор

Просмотреть все сообщения

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *