Юный техник, 2013 № 10

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ Время Вселенной измерили до секунды

В 50-х годах ХХ века были предложены устройства, которые измеряли частоту перехода электронов из одного энергетического состояния в другое и обратно, испуская при этом излучение строго определенной частоты. Они оказались столь точны, что в 1967 году был принят стандарт секунды, как время, за которое атом цезия-133 совершит 9 192 631 770 таких квантовых переходов.

Первые атомные часы работали с точностью 10^-10 с, потом специалисты научились отмерять время с точностью 10^-15 с, что дает ошибку в 1 секунду за 30 миллионов лет. Точность же атомных стронциевых часов, которые разработала лет пять тому назад в Университете Токио группа специалистов под руководством Хидетоши Катори, составляет 10^-18 с. Для достижения такого результата японским ученым пришлось решить две проблемы.

Прежде всего, специалистам известно, что атомные часы, работающие на изотопе стронция, можно создавать двумя путями: используя колебания отдельно взятого атома или заставить синхронно колебаться сразу несколько атомов.

Преимущество отдельного атома состоит в том, что его несколько проще оградить от внешних электромагнитных воздействий, которые влияют на частоту колебаний. Недостаток же такого подхода — в чрезвычайной трудности измерения высокочастотных вибраций единственной микрочастицы.

Многоатомные часы дают более мощный сигнал, но менее точны из-за помех, создаваемых электромагнитными полями самих атомов.

Так вот, созданные в Токийском университете стронциевые «ходики» объединили преимущества двух подходов — здесь задействовано шесть лазерных лучей, благодаря которым электромагнитные волны атомов оказываются защищены от постороннего влияния. При этом измеряется сигнал каждого из атомов, а затем все показания суммируются. Таким образом, сигнал не только усиливается, но и исключаются ошибки случайных отклонений; ведь в итоге за конечный результат принимается среднее арифметическое многих значений.

Следующий шаг сделали недавно исследователи из NIST (Национального института стандартов и технологий США). В начале лета 2013 года они представили пару наиболее точных часов из всех, когда-либо построенных человечеством. Эти «близнецы» способны измерить возраст Вселенной с точностью до секунды.

Так выглядят самые точные атомные часы в мире, дающие погрешность на одну секунду в 3,7 млрд. лет.

Миниатюрные цезиевые атомные часы, созданные в 2011 году, используются в навигационных устройствах.

Конструкторам не только удалось разместить такие часы в объеме, сравнимом с коробкой для детской обуви, но и решить две проблемы. Первая из них связана с эффектом Доплера, возникающим при малейшем движении атома и вызывающим смещение измеренной частоты. Вторая — с эффектом Штарка, проявляющимся в изменении разницы между энергиями различных состояний атома (а значит, и частоты фотона, излучаемого при переходе) под действием электрического поля.

Чтобы зафиксировать атомы в пространстве и минимизировать влияние эффекта Доплера, в часах была использована оптическая решетка — потенциальные «ячейки» в зоне пересечения стоячих волн, распространяющихся в перпендикулярных направлениях.

Но в присутствии электромагнитного излучения, необходимого для создания лазерной решетки, неизбежно возникает штарковское смещение, о котором говорилось выше. Чтобы оно не оказывало влияния на результаты эксперимента, ученые использовали для измерений атомы иттербия, известного тем, что у него энергетическая разница между различными состояниями электронов одинакова, поэтому смещение легко учитывается и не оказывает влияния на конечный результат измерений. Причем поскольку в оптической решетке можно поместить множество атомов иттербия, исследователи измеряют частоты излучения нескольких из них, чтобы увеличить точность, исключить случайную ошибку.

Для чего нужны такие часы? Понятно, что людям сверхточность в их повседневных делах попросту не нужна. Зато такие суперхронометры могут быть использованы при проверке основополагающих физических теорий, например, для измерения гравитационного замедления времени. Созданные ранее модели часов «ловили» этот эффект при смещении точек измерения, расположенных в гравитационном поле Земли, на многие метры или даже километры по вертикали. Часы, созданные физиками из NIST, способны зафиксировать замедление времени при подъеме или спуске уже на 1 см!

Сейчас специалисты NASA готовятся отправить новые атомные часы в космос. Для начала их поместят на спутник, который будет запущен в 2015 году. В течение 12 месяцев ученые будут изучать их поведение в условиях глубокого вакуума и космических излучений.

С помощью новых суперчасов специалисты NASA надеются повысить точность управления и межпланетными космическими аппаратами. Ныне для этой цели используют атомные часы, находящиеся на Земле. Из центра управления отправляют радиосигнал на космический аппарат, который анализирует сигнал и ретранслирует его обратно на Землю. Используя временные метки на сигнале, ученые определяют, сколько времени требуется для передачи сигнала туда и обратно, что дает возможность определить расстояние до космического аппарата.

Однако, если отправить такой аппарат на окраину Солнечной системы, то с увеличением расстояния задержка прохождения сигнала все увеличивается, а с ней возрастает и ошибка определения координат. Поэтому NASA хочет снабдить межпланетные космические аппараты собственными атомными часами, что позволит уточнить навигационные координаты и уменьшить ошибки траектории.

Комплекс оборудования для получения стандарта частоты, использующий сверхточные атомные часы.

Электронная начинка современного военного навигатора.

Пригодятся подобные часы и на Земле. Вот уже несколько десятилетий во многих навигаторах используется Global Positioning System — GPS. Получая сигналы со спутников, любой автолюбитель или даже пешеход с точностью до метра определяет свое местоположение. Однако система GPS прекратит свое функционирование, если навигационные спутники будут повреждены или их сигналы подвергнутся глушению.

Поэтому агентство DARPA с 2001 года ведет разработку программы «Micro-technology for Positioning, Navigation and Timing (MICRO-PNT)». Суть ее заключается в том, что боевые машины, а потом и отдельные солдаты будут снабжаться навигационными устройствами, которые способны функционировать в автономном режиме. Атомный эталон будет занимать в них объем не более 1 куб. см.

КАК СЫН ПЛОТНИКА МОРЕХОДОВ СПАС…

Первые корабли совершали свои походы, придерживаясь берега. В открытом океане они могли и потеряться. Однако древние мореплаватели довольно скоро выяснили: хотя Земля вращается, Полярная звезда всегда остается в одной и той же точке небосвода. Так что, измеряя угол между Полярной звездой и горизонтом особым прибором — секстантом — по ночам или угол между солнцем в зените и горизонтом в полдень, когда тени самые короткие, мореплаватели могли определить широту своего местонахождения. Оставалось научиться вычислять долготу.

Технически это можно выполнить так, рассудил в 1510 году испанец Санта-Крус. Для определения долготы на море необходимо иметь точный хронометр и специальные таблицы. Если вы определили, что солнце ныне взошло в 5.40, в то время как таблицы указывают, что на широте Лондона оно всходит в 6.40, значит, вы находитесь на 15 градусов западнее Лондона, где-то у Канарских островов. Однако, чтобы вести подобные вычисления, необходимо иметь часы, которые показывают точное время, невзирая на бури и шторма. В XVI веке правительства Испании и Нидерландов объявили огромные премии, чтобы привлечь ученых и конструкторов к поискам надежного метода определения долготы в открытом море.

Морские хронометры пытались создать Галилео Галилей, Христиан Гюйгенс и другие великие ученые, не говоря уж о знаменитых часовщиках. Однако всех сумел опередить механик-самоучка, сын плотника Джон Гаррисон. В 1735 году, будучи совсем еще молодым человеком, 21 года от роду, он представил Королевскому Обществу свой морской хронометр, названный H1.

То были огромные часы, которые весили 35 кг и занимали весь стол в каюте капитана. Но они содержали в своей конструкции много уникальных технических решений и уже на первых испытаниях показали неплохие результаты — ошибка счисления составила 75 миль.

Мастер не остановился на этом и 47 лет совершенствовал свои хронометры. В 1761 году для очередного испытания модели Н4 из Англии на Ямайку отправился корабль «Дептфорд». Сопровождал драгоценный прибор уже сын старого Джона, Уильям, так как 68-летний мастер не рискнул выйти в море по состоянию здоровья. Через 161 сутки, когда корабль пришел в Портсмут, ошибка в ходе часов не превышала нескольких секунд, а ошибка счисления — нескольких миль. Таким образом, задача определения географической долготы в открытом море была решена.