Просмотр кода страницы Атомные часы

[[Файл:Atomicclock.jpg|thumb|250px|Атомные часы]]

'''А́томные часы́''' ([[молекула|молекулярные]], [[квант]]овые [[часы]]) — прибор для [[измерение времени|измерения времени]], в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне [[атом]]ов или [[молекула|молекул]].

Атомные часы важны в [[Навигация|навигации]]. Определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолётов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи ([[GPS]], [[ГЛОНАСС]], [[Галилео (спутниковая система навигации)|Galileo]]) невозможны 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 [[Служба точного времени|службами точного времени]], которые периодически транслируют временные сигналы по радио.

С [[1967 год]]а международная система единиц [[СИ]] определяет одну [[секунда|секунду]] {{nobr|как 9 192 631 770 периодов}} [[электромагнитное излучение|электромагнитного излучения]], возникающего при переходе между двумя [[Сверхтонкая структура|сверхтонкими]] уровнями основного состояния атома {{nobr|[[Цезий-133|цезия-133]]}}. Согласно этому определению, {{nobr|атом цезия-133}} является стандартом для измерений времени и [[частота|частоты]]. 
Точность определения секунды определяет точность определения других основных единиц, таких как, например, [[вольт]] или [[метр]], содержащих секунду в своём определении.

Стабильность атомных часов <math>\Delta\nu/\nu</math> (где <math>\Delta\nu</math> — отклонение частоты <math>\nu </math> часов за некоторый<!--{{какой}}--> период времени) обычно лежит в пределах {{nobr|10<sup>−14</sup>—10<sup>−15</sup>}}<!--за какой период? {{Нет АИ|25|2|2012}}-->, а в специальных конструкциях достигает 10<sup>−17</sup><ref name="record">{{cite web|url=http://www.membrana.ru/particle/3678|title=Поставлен новый рекорд точности атомных часов|date=2010-02-05|publisher=[[Membrana]]|accessdate=2011-03-04|archive-date=2012-02-09|archive-url=https://www.webcitation.org/65JoP77Ex?url=http://www.membrana.ru/particle/3678|deadlink=yes}}</ref><!--за какой период? {{Нет АИ|25|2|2012}}-->, и является наилучшей среди всех существующих типов часов<!--уже не самой лучшей--><ref name="record" />.

==История создания==
Идею о возможности использования атомных колебаний водорода для измерения времени предложил еще в 1879 году английский физик [[Томсон, Уильям (лорд Кельвин)|лорд Кельвин]], однако только к середине XX века это стало практически возможным. В 1949 году в [[Национальный институт стандартов и технологий|Национальном бюро стандартов США]] с участием Гарольда Лайонсона были созданы часы, использующие молекулы [[аммиак]]а. Но они были не такими точными, как современные атомные часы, поскольку из-за взаимодействия молекул аммиака между собой и со стенками емкости, в которой находилось это вещество, изменялась энергия молекул, и их [[спектральная линия|спектральные линии]] уширялись. Лишь в 1955 году [[Эссен, Льюис|Луи Эссен]] из [[Национальная физическая лаборатория Великобритании|Национальной физической лаборатории Великобритании]] представил первые атомные часы на [[цезий-133|цезии-133]], которые накапливали ошибку в одну секунду за миллион лет<ref>{{Cite web |url=https://lenta.ru/articles/2014/04/11/atcl/ |title=Сверим часы. Краткая история появления атомных приборов измерения времени |access-date=2022-11-30 |archive-date=2022-11-30 |archive-url=https://web.archive.org/web/20221130172221/https://lenta.ru/articles/2014/04/11/atcl/ |deadlink=no }}</ref>.

== Устройство часов ==
[[Файл:Принцип работы атомных часов.gif|thumb|400px|right|Схема атомных часов]]
Часы состоят из нескольких частей:
* квантовый [[дискриминатор]],
* [[кварцевый генератор]],
* комплекс [[электроника|электроники]].

[[Кварцевый генератор]] представляет собой автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды [[Кварцевый резонатор|кварцевого кристалла]]. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило,<ref>Указанные частоты характерны именно для прецизионных кварцевых резонаторов, с самой высокой [[добротность]]ю и стабильностью частоты, достижимой при использовании пьезоэффекта. Вообще же, кварцевые генераторы используются на частотах от единиц [[кГц]] до нескольких сотен [[МГц]].
({{книга
|автор         = Альтшуллер Г. Б., Елфимов Н. Н., Шакулин В. Г.
|часть         = 
|ссылка часть  = 
|заглавие      = Кварцевые генераторы: Справочное пособие
|оригинал      = 
|ссылка        = 
|викитека      = 
|ответственный = 
|издание       = 
|место         = М.
|издательство  = Радио и связь
|год           = 1984
|том           = 
|страницы      = 121, 122
|страниц       = 232
|серия         = 
|isbn          = 
|тираж         = 27000
}})</ref> 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц, с возможностью перестройки в небольших пределах (±10<sup>−6</sup>, например, изменением температуры кристалла). Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала и составляет около <math>\Delta\nu/\nu = 10^{-7}</math>. С целью повышения его стабильности используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора с частотой <math>\nu_o</math> постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии <math>\nu_a</math>, регистрируемой в [[квантовый дискриминатор|квантовом дискриминаторе]]. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема [[Отрицательная обратная связь|обратной связи]] подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов до уровня <math>\Delta\nu/\nu = 10^{-14}</math>.

В СССР идеологом создания атомных часов был академик [[Басов, Николай Геннадиевич|Николай Геннадиевич Басов]]<ref>{{статья |автор= [[Басов, Николай Геннадиевич|Н. Г. Басов]], [[Летохов, Владилен Степанович|В. С. Летохов]]. |заглавие= Оптические стандарты частоты |ссылка= http://ufn.ru/ru/articles/1968/12/a/ |издание= [[Успехи физических наук]] |год= 1968 |том= 96 |номер= 12 |язык= ru |издательство= [[Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН|Российская академия наук]] |archivedate= 2011-10-20 |archiveurl= https://web.archive.org/web/20111020031710/http://ufn.ru/ru/articles/1968/12/a/ }}</ref>.

== Национальные центры стандартов частоты ==
[[Файл:Clock accuracy.svg-ru.svg|thumb|250px|Рост точности атомных часов за период 50 лет. [[NIST]], США]]
Многие страны сформировали национальные центры стандартов времени и частоты<ref>[http://www.nist.gov/iaao/national.cfm National metrology laboratories] {{Wayback|url=http://www.nist.gov/iaao/national.cfm |date=20110518160111 }}{{ref-en}}. NIST, 3 февраля 2011 г. {{проверено|14|6|2011}}</ref>:
* [[Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений]] (ВНИИФТРИ), п. [[Менделеево (Московская область)|Менделеево]] Московской области;
* [[Национальный институт стандартов и технологий (США)|Национальный институт стандартов и технологий]] (NIST), [[Боулдер (Колорадо)|Боулдер]] ([[США]], [[Колорадо]]);
* {{не переведено|Национальный институт передовой промышленной науки и технологии (Япония)|Национальный институт передовой промышленной науки и технологии|en|National Institute of Advanced Industrial Science and Technology}} (AIST), [[Токио]] ([[Япония]]);
* {{не переведено|Федеральное физико-техническое агентство (Германия)|Федеральное физико-техническое агентство|de|Physikalisch-Technische Bundesanstalt}} (PTB), [[Брауншвейг]] ([[Германия]]);
* {{не переведено|Национальная лаборатория метрологии и испытаний (Франция)|Национальная лаборатория метрологии и испытаний|fr|Laboratoire national de métrologie et d'essais}} (LNE), [[Париж]] ([[Франция]]).
* [[Национальная физическая лаборатория Великобритании]] (NPL), [[Лондон]], [[Великобритания]].

Учёные разных стран работают над совершенствованием атомных часов и основанных на них государственных первичных эталонов времени и частоты, точность таких часов неуклонно повышается. В России обширные исследования, направленные на улучшение характеристик атомных часов, проводятся в [[Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН|Физическом институте им. Лебедева]].

== Типы атомных часов ==
{{нет источников в разделе|дата=2023-07-20}}
[[File:Time Card.png|thumb|250px|Чёрный квадрат на плате - модуль [[рубидий|рубидиевых]] атомных часов производства [[Microchip Technology]], размером 51×51×18 мм]]
Не всякий атом (молекула) подходит в качестве дискриминатора для атомных часов. Выбирают атомы, которые нечувствительны к различным внешним воздействиям: магнитным, электрическим и электромагнитным полям. В каждом диапазоне электромагнитного спектра излучения имеются такие атомы, это атомы [[кальций|кальция]], [[рубидий|рубидия]], [[цезий|цезия]], [[стронций|стронция]], молекулы [[водород]]а, [[йод]]а, [[метан]]а, [[оксид осмия(VIII)]] и т. д.{{нет АИ|20|07|2023}} В качестве основного (первичного) стандарта частоты выбран сверхтонкий переход атома цезия. Характеристики всех остальных (вторичных) стандартов сравниваются с этим стандартом. Для того, чтобы осуществить такое сравнение, в настоящее время используются так называемые {{не переведено|оптическая гребёнка|оптические гребёнки|en|Frequency comb}} — излучение с широким частотным спектром в виде [[Эквидистанта|эквидистантных]] линий, расстояние между которыми привязывается к атомному стандарту частоты{{нет АИ|20|07|2023}}. Оптические гребёнки получают с помощью [[Лазеры сверхкоротких импульсов|фемтосекундного лазера]] с [[Синхронизация мод|синхронизацией мод]] и [[Микроструктурированное оптическое волокно|микроструктурированного оптоволокна]], в котором происходит уширение спектра до одной [[Октава|октавы]]{{нет АИ|20|07|2023}}.

В 2006 году исследователи из американского [[Национальный институт стандартов и технологий|Национального института стандартов и технологий]] под руководством Джима Бергквиста ({{lang-en|Jim Bergquist}}) разработали часы, действующие на одном атоме [[ртуть|ртути]]<ref>{{статья|автор=Oskay W., Diddams S., Donley A., Frotier T., Heavner T., et al.|заглавие=Single-Atom Optical Clock with High Accuracy|ссылка=http://prl.aps.org/abstract/PRL/v97/i2/e020801|язык=en|издание=[[Phys. Rev. Lett.]]|издательство=American Physical Society|год=4 июля 2006|том=97|номер=2|issn=0031-9007|doi=10.1103/PhysRevLett.97.020801}}</ref>. При переходах между энергетическими уровнями [[ион]]а ртути генерируются фотоны [[видимый свет|видимого диапазона]] со стабильностью в 5 раз выше, чем [[микроволновое излучение]] цезия-133. Новые часы могут также найти применение в исследованиях зависимости изменения [[Фундаментальные физические постоянные|фундаментальных физических постоянных]] от времени. 
По состоянию на апрель 2015 года самыми точными атомными часами являлись часы, созданные в Национальном институте стандартов и технологий США{{прояснить}}<!-- эти самые? -->, погрешность составила лишь одну секунду в 15 миллиардов лет. В качестве одного из возможных применений часов указывалась релятивистская [[геодезия]], основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли.<ref>{{статья|автор=М. Паймакова.|заглавие=Новые атомные часы отстанут на секунду через 15 миллиардов лет|ссылка=http://www.vesti.ru/doc.html?id=2524241|язык=ru|издание=Вести.Ru|год=22 апреля 2015|archivedate=2015-04-24|archiveurl=https://web.archive.org/web/20150424193656/http://www.vesti.ru/doc.html?id=2524241}}</ref>

В 2006 году сообщалось, что в атомных часах нового поколения{{уточнить|reason=Термин «новое поколение» относится к каким-то формализованным поколениям? Или это просто фигура речи? - в этом случае, его лучше убрать из текста}} будут использоваться атомы [[Стронций|стронция]]<ref>{{cite web|url=http://science.compulenta.ru/297745/|title=В атомных часах нового поколения будут использоваться атомы стронция|author=Георгий Мешков|date=2006-12-05|publisher=[[Компьюлента]]|accessdate=2010-12-13|archiveurl=https://web.archive.org/web/20101110091210/http://science.compulenta.ru/297745|archivedate=2010-11-10|deadlink=yes}}</ref>.

Ведутся активные разработки компактных атомных часов для использования в повседневной жизни (наручные часы, мобильные устройства)<ref>{{cite web|url=http://www.cnews.ru/news/top/index.shtml?2004/09/03/163067|title=Атомные часы: скоро в мобильниках|date=2004-09-03|publisher=[[CNews]]|accessdate=2010-12-13|archiveurl=https://web.archive.org/web/20120103204819/http://www.cnews.ru/news/top/index.shtml?2004%2F09%2F03%2F163067|archivedate=2012-01-03|deadlink=yes}}</ref><ref>{{Cite web |url=http://old.nanonewsnet.ru/index.php?module=pagesetter&func=viewpub&tid=4&pid=60 |title=Нанотехнологии ::<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2008-10-11 |archive-date=2014-03-14 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140314170859/http://old.nanonewsnet.ru/index.php?module=pagesetter&func=viewpub&tid=4&pid=60 |deadlink=no }}</ref><ref>{{статья|автор=Игорь Лалаянц|заглавие=Атомные наручники|ссылка=http://www.znanie-sila.ru/online/issue_3361.html|издание=[[Знание - сила]]|год=2005|номер=9|issn=0130-1640|deadlink=да|archiveurl=https://web.archive.org/web/20080624013339/http://www.znanie-sila.ru/online/issue_3361.html|archivedate=2008-06-24}}</ref><ref>{{cite web|url=https://lenta.ru/news/2010/03/18/atomic/|title=Российские физики создали «сердце» миниатюрных атомных часов|date=2010-03-18|publisher=[[Lenta.ru]]|accessdate=2010-12-13|archive-date=2010-06-17|archive-url=https://web.archive.org/web/20100617034755/http://lenta.ru/news/2010/03/18/atomic/|deadlink=no}}</ref>.
В начале 2011 американская компания "Symmetricom" объявила о коммерческом выпуске цезиевых атомных часов размером с небольшую микросхему; часы работают на основе эффекта когерентного пленения [[электронная населённость|населённости]], их стабильность — {{nobr|5 · 10<sup>-11</sup>}}, масса — 35 г, потребляемая мощность — 120 мВт<ref>{{Cite web |url=https://www.microsemi.com/product-directory/clocks-frequency-references/3824-chip-scale-atomic-clock-csac |title=Chip Scale Atomic Clock (CSAC) SA.45s |access-date=2021-01-17 |archive-date=2018-10-08 |archive-url=https://web.archive.org/web/20181008214109/https://www.microsemi.com/product-directory/clocks-frequency-references/3824-chip-scale-atomic-clock-csac |deadlink=no }}</ref>.

На XXVII [[Генеральные конференции по мерам и весам|Генеральной конференции по мерам и весам]] во Франции (2022 год) решили к 2030 году разработать новое определение секунды. 
Сейчас в большинстве лабораторий рассматривают часы на основе атомов стронция или [[Иттербий|иттербия]], способных излучать или поглощать фотоны в видимой части спектра; также работают с рубидием, алюминием, ртутью. Так, в российском [[ФИАН]]е занимаются [[Тулий|тулием]].
Вместе с тем, российские физики изучают принципиально другую схему — ядерные часы, где переходы не электронов, а [[Изомерия атомных ядер|изомеров]] (метастабильных состояний ядра, в которых один или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают более высокие или низкие энергетические уровни); ожидается, что ядерные часы будут на порядок точнее, чем лучшие современные оптические атомные часы, и приблизятся к уровню 10<sup>-19</sup><ref>Конкретно — в ФИАНе экспериментируют с низкоэнергетическим изомерным переходом в ядре [[Изотопы тория|тория-229]]: [https://ria.ru/20221125/sekunda-1834040169.html Гонка за временем. Ученые дадут новое определение секунды] {{Wayback|url=https://ria.ru/20221125/sekunda-1834040169.html |date=20221126195420 }} // [[РИА Новости]],  25.11.2022</ref>.

== См. также ==
* {{нп5|Ядерные часы|||Nuclear clock}}

== Примечания ==
{{примечания}}

== Ссылки ==
* {{cite web|url=https://tf.nist.gov/timefreq/ofm/smallclock/CSAC.html|title=NIST chip-scale atomic clock project|archiveurl=https://www.webcitation.org/65JoJ68dU?url=https://tf.nist.gov/timefreq/ofm/smallclock/CSAC.html|archivedate=2012-02-09}}
* {{cite web|url=http://www.polit.ru/science/2006/07/25/hg_clock.html|title=Новый рекорд точности измерения времени достигнут ртутными атомными часами|date=2006-07-25|publisher=[[Полит.ру]]|accessdate=2010-12-13|archiveurl=https://www.webcitation.org/65JoK1JJO?url=http://www.polit.ru/news/2006/07/25/hg_clock/|archivedate=2012-02-09}}
* ''Нина Бирючкова''. [https://craftster.ru/technologies/sverhtochnye-atomnye-chasy/ Сверхточные атомные часы] // craftster.ru, 14 апреля 2014

* {{cite web|url=http://www.telegraph.co.uk/science/science-news/5164808/Worlds-most-accurate-clock-unveiled.html|title=World's most accurate clock unveiled|author=Richard Alleyne|date=2009-04-16|publisher=[[The Daily Telegraph]]|lang=en|accessdate=2010-12-13|archiveurl=https://www.webcitation.org/65JoMfVdv?url=http://www.telegraph.co.uk/science/science-news/5164808/Worlds-most-accurate-clock-unveiled.html|archivedate=2012-02-09}}
* {{cite web| url      =http://tf.nist.gov/cesium/atomichistory.htm| title      =Краткая история атомных часов в NIST. (A Brief History of Atomic Clocks at NIST)| author      =| authorlink      =| coauthors      =| quote      =| date      =| format      =| work      =| publisher      =The National Institute of Standards and Technology, USA| accessdate      =2012-02-26| lang      =en| description      =| deadlink      =| archiveurl      =https://www.webcitation.org/67ttHx85k?url=http://tf.nist.gov/cesium/atomichistory.htm| archivedate      =2012-05-24}}

{{Библиоинформация}} {{^v}}
{{Часы}}
{{Единицы измерения и стандарты времени}}

[[Категория:Часы]]