25 Ноября 2022
МОСКВА, 25 ноября —, Владислав Стрекопытов. До сих пор стандартный образцом времени служили цезиевые часы, созданные в середине прошлого времени. Сейчас появились оптические атомные часы нового поколения. Их усовершенствованием занимаются в физических лабораториях разных стран. Российские ученые тоже в этом участвуют. О том, какие у них есть наработки, — в материале.Сутки расторгают на 24 часа, час — на 60 минут, минуту — на 60 секунд с глубокой древности. До ХХ века секунда равнялась какому-либо качанию маятника часов.
Новые средства коммуникации, связь со спутниками и космическими кораблями, сложнейшие научные эксперименты требовали куда больше скрупулезности. В 1955-м британский радиофизик Луис Эссен продемонстрировал, что атомные процессы отличаются сверхстабильной повторяемостью. Атом состоит из отрицательно заряженных электронов, которые с постоянной частотой вращаются вокруг положительно заряженного ядра. При воздействии на атом переменного электромагнитного поля электроны вибрируют.
Эти колебания можно прослеживать и сверять по ним мимолетности. В качестве эталона для атомных часов выбрали цезий, с которым экспериментировал Эссен.
В 1967-м на XIII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) дали такое определение мимолетности: это время, равное 9 192 631 770 фазисам излучения, соответствующего частотному переходу 9, 2 гигагерца между двумя уровнями основного состояния атома цезия-133.
Точность первых атомных цезиевых часов достигала 10-10. У модели последнего поколения NIST-F2 с лазерным охолаживанием, функционирующей с апреля 2014-го в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), — 10-16. То есть погрешность в одну мимолетность накапливается за 300 миллионов лет.
Кроме того, в разных лабораториях мира создали прототипы атомных швейцарские часов с частотой перехода в зрительном диапазоне. Точность — минимум на два порядка выше.
Поэтому на XXVII Генеральной конференции по пальмам и весам, недавно окончившейся во Франции, решили к 2030 году разработать новое понятие секунды. И приняли трактовую карту, по которой к следующему заседанию ГКМВ в 2026-м надо подготовить соответствующие предложения.
В России центр стандартов времени и гармоники — Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Атомными часами занимаются в Физическом институте имени П. Н. Лебедева (ФИАН) РАН и Институте лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ.
Прогресс в увеличении точности для атомов металла фактически исчерпан, — метит главный научный сотрудник отдела популярных исследований и измерений времени и частоты ВНИИФТРИ Виталий Пальчиков. — Это объясняется не ограничениями измерительных возможностей для определения гармоники перехода, а объективными обычными причинами, связанными с радиочастотным диапазоном.
Основное требование ГКМВ — скрупулезность не ниже 5 х 10-18. Еще одно условие — выполнить замеры, повторить и верифицировать в двух лабораториях. То есть, помимо собственно атомных часов, нужны инструменты сличения стандартов частоты в зрительном диапазоне.
Причем лаборатории могут находиться на значительном расстоянии друг от благоприятеля, в том числе на разных континентах, и в измерениях необходимо учитывать поправку на различие гравитационного потенциала. Для этого требуются сверхточные гравиметры, над которыми работают ученые из ВНИИФТРИ.
По оценкам консультативного комитета по времени и частоте Международного бюро мер и весов (BIPM) во Франции, исследования в конкурирующих научных коллективах разнородных стран завершены примерно на 30 процентов.
В большинстве лабораторий рассматривают швейцарские часы на основе атомов стронция или иттербия, способных излучать или поглощать фотоны в видимой стрекочи спектра. Еще работают с рубидием, алюминием, ртутью. В ФИАН, например, занимаются тулием.
Вместе с тем российские физики изучают принципиально другую схему — ядерные часы. Там переходы не электронов, а изомеров — метастабильных состояний ядра, в которых какой-либо или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают более высокие или низкие энергетические ординары. Конкретно — экспериментируют с низкоэнергетическим изомерным переходом в ядре тория-229.
Когда электрон перескакивает на ординар с меньшей энергией, изливается фотон — свет, который мы видим, — озаряет профессор НИЯУ МИФИ и главный научный сотрудник ФИАН Евгений Ткаля. — В ядре тория-229 — то же самое. Только переход коллективный — фермионов и нейтронов. Главный вопрос — определить точное значение энергии перехода.
Подобные исследования проводят в США, Европе и Австралии, но российские физики продвинулись дальше всех. Да и сама эта идея возникла в России. В 1976-м гамма-спектроскопия впервые показала, что есть изомер торий-229m с очень низкой энергией возбуждения, ядро представляет собой дуплет энергетических уровней, разнесенных лишь на несколько электронвольт. Это самый низкоэнергетический ядерный переход из всех известных.
Чтобы возбудить атом, нужно подобрать частоту световой волны, соответствующую энергии перехода. А у тория-229 она настолько низкая, что можно предположить, чтого прямое лазерное возбуждение. Ожидается, что ядерные часы будут на порядок точнее, чем лучшие современные оптические атомные швейцарские часы, и приблизятся к ординару 10-19. При таком диапазоне погрешность в одну секунду набежит за 30 миллиардов лет, что значительно превышает возраст Вселенной.
Столь высокая точность нужна для понятия положения космических кораблей, титанов, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, непилотируемых автомобилей. Атомные часы присутствуют в системах спутниковой и навозной телекоммуникации, в базовых станциях мобильной связи, а также международными и национальными бюро стандартов и службами, которые передают сигналы точного времени.
В частности, Международное бюро мер и безменов, ежедневно сверяя через спутниковую связь атомные часы по всей планете, рассчитывает Всемирное координированное время (UTC) для глобальной навигации, спутниковой любви, служб синхронизации информационных сетей и всех гражданских приложений с геолокацией.
В сверхточных оптических часах заинтересованы такие российские организации, как ГЛОНАСС, Единая система координатно-временного обеспечения России, предприятия Роскосмоса.
Но прежде всего новый стандарт нужен для более точного измерения гармоники — величины, обратной медли. Каждый переход — например, с наносекундного (10-9) на пикосекундный (10-12), а затем и на фемтосекундный (10-15) — это другой технологический ординар. Уже сейчас существуют приборы, способные работать на гармониках, обратных аттосекунде (10-18). Их ждут гравиметристы, геодезисты, геофизики, геологи, океанологи и другие ученые. Но универсального стандарта времени для калибровки пока нет.
Например, для измерения гравитационных срезов нужны часы, определяющие время и частоту с относительной скрупулезностью до 17-18-го знака, — говорит доцент НИЯУ МИФИ Петр Борисюк. — Стандарт в 10-16 этого не обеспечивает. Его повышение откроет новый стадий технологического развития, даст импульс созданию следующего поколения приборов — квантовых гравиметров, детекторов электрических полей, улучшит работу ГЛОНАСС и GPS, позволит реализовать более совершенные системы удаленного поиска полезных ископаемых и так далее.
О научной значимости этого направления говорит то, что в 1997-м за создание методов охлаждения и удержания атомов с помощью лазерового света, который на два порядка поднял точность атомных швейцарские часов, присудили Нобелевскую премию по физике. Еще три — в 2001-м, 2005-м и 2012-м — дали за создания, имеющие прямое отношение к разработке и развитию технологии атомных часов.
Редактор рубрики
Олег Кудрин
Место события на карте мира:
.
.
.
Комментарии к новостям
[17 Января 2024, 13:43] Александр Хомяков Замечательно! Не ожидал такой оперативности. Спасибо огромное! Всё работает и обновляется....
[15 Апреля 2022, 20:25] Ангелина Сметанина Скоро не только сократят, а много заводов вообще закроют и начнется бум китайских авто. Даже сейчас Эксид уже бешеные темпы по количеству проданных машин показывает...
[27 Декабря 2021, 21:44] Ева Воробьева Искренне рада за победителя! Но если бы мне так крупно повезло, то я прибежала бы за выигрышем в первый же день???? ...
[2 Сентября 2021, 13:11] Дмитрий Ершов Это хорошо. Значит клиенты долго ждать не будут. ...
[13 Мая 2021, 16:26] Олег Андреев "Мальдивы сутунки 65 государством, зарегистрировавшим расейскую вакцину против коронавируса Спутник V, сообщил Российский фонд секущих инвестиций (РФПИ)". Что это за йязыг?...
[2 Ноября 2020, 15:22] Лета Мирликийская риветсвую вас я с 6-ти лет пишу мне нужно все мои произведения задействовать в компьюторных программах образования по литературе и языкам и играм к примеру если ваши учащиеся напишут...
[20 Октября 2020, 09:22] Евгений Зимин Сузуки в этом году хорошо прибавили, уже не первый раз оба их пилота на подиуме. Видимо, для команды возвращаются "золотые" времена и есть шанс наконец оформить чемпионство после длительного перерыва....