Издавна питаю слабость к приборам, что-то точно измеряющих. Одно из первых воспоминаний – на электростанции у меня появился прибор, измеряющий частоту с точностью до 0.01Гц. Естественно, я тут же применил прибор в практических целях – измерил частоту электрической сети и открыл рот. Вместо ожидаемых 50.00Гц прибор показал примерно 49.55Гц. Оказалось, что тогда (советские годы) был значительный дефицит мощности электростанций, а потребители, нагружая сеть, как бы тормозят вращение генераторов, снижая частоту, и при достижении 49.50Гц автоматика начинает спасать энергосеть, отключая лишних потребителей. Наши энергетические управления работали в постоянном стрессе. Но это так, мемуары.
А вот теперь все чаще стали попадаться в сети статьи о точных измерениях времени. Вот и решил я написать маленький обзор о самом интересном на эту тему. Ну люблю я суперточность!
Современные таймеры, будем так их называть, основаны на квантовых атомных часах. Схематически прибор изображен на рис.1 (рисунок из Википедии).
Рис.1. Схема атомных часов.
Основа прибора – квантовый дискриминатор, вырабатывающий сигнал Va с высокой точностью частоты. Этот сигнал подается на схему сравнения, на второй вход которой подается сигнал Vo с кварцевого осциллятора. Кварцевый осциллятор обладает фиксированной частотой, например, 10МГц, и частотной погрешностью около 10^-7, но может в небольших пределах синхронизироваться от внешнего источника. Схема сравнения – частотно-фазовый компаратор, вырабатывает сигнал рассогласования частот и фаз Δ = νo – νa, который подается на управляющий вход, изменяя частоту кварцевого осциллятора так, чтобы компенсировать рассогласование. С выхода кварцевого осциллятора сигнал подается на требуемое устройство: циферблат, прибор, сервер и т.д.
В качестве мирового эталона времени используются цезиевые атомные часы, работающие на атомном переходе сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 частотой 9 192 631 770Гц. Период колебаний этого осциллятора считается эталоном секунды. Нестабильность его частоты составляет около 3x10^-13, что соответствует примерно 1сек за 100 000 лет.
Однако, как ни странно, используемый стандарт времени не является самыми точными часами. Недавно специалисты из Национального института стандартов и технологий (NIST) на основе ионов алюминия создали часы, идущие гораздо равномернее цезиевых. Ошибка в секунду у них накапливается за 3,7 миллиарда лет, что соответствует относительной погрешности около 1∙10^-17. Благодаря такой точности, удалось проверить одно из важнейших следствий общей теории относительности Эйнштейна – замедление хода времени в гравитационном поле. Такие эксперименты проводились и ранее, однако вследствие малости эффекта в земных условиях требовался большой перепад высот, из-за чего приходилось размещать аппаратуру на спутниках. При использовании же алюминиевых часов NIST эксперимент проводился в стенах лаборатории. В нем использовались двое синхронизированных часов. После того, как одни из них переместили на 0.5м выше других, разность их хода составила четыре периода на 10^12 периодов хода, уверенно регистрируемых часами. Оказалось, что величина рассогласования в пересчете соответствовала предсказанию Эйнштейна — отклонению в ходе часов на 3 микросекунды в год на один километр разницы в высоте над Землёй.
Новые часы, разработанные учёными из Института JILA, превосходят и этот рекорд. На данный момент они, насколько мне известно, являются самыми точными часами в мире. Группа JILA провела последние усовершенствования своего прибора с помощью специалистов Национального института стандартов и технологий США NIST и Объединённого квантового института. Их новейший прибор устанавливает сразу три рекорда: в систематической неопределенности, в стабильности и в воспроизводимости.
Систематическая неопределенность – принципиальное свойство часов, показывающее, насколько хорошо работает сам метод, то есть, принципиально возможную точность хода часов. Для новых часов NIST эта величина составляет около 1.4∙10^-18 иначе говоря, одну миллиардную от одной миллиардной доли секунды за секунду.
Стабильность показывает, насколько часы «уходят» за определенный промежуток времени. В данном случае эта величина составляет около 3.2∙10-19 за сутки.
Воспроизводимость означает повторение результата как разными приборами данного типа, так и повторение результата одним и тем же прибором при разных измерениях. Для данного прибора воспроизводимость определяется как [−7 ± (5) stat ± (8) sys ] ×10–19 , где «stat» и «sys» указывают статистическую и систематическую неопределенность соответственно, то есть, около 1∙10-18.
«Рабочим материалом» этого прибора являются атомы иттербия, размещаемые в узлах так называемой оптической решетки. Оптическая решетка образуется при интерференции встречных пучков двух мощных лазеров, в узлах объемной интерференционной картины образуются потенциальные ямы, в которых и размещаются атомы иттербия. В результате лазерного охлаждения их температура измеряется в микрокельвинах, то есть, отличается от абсолютного нуля на тысячные доли градуса. Сама же установка работает при комнатной температуре.
Научная статья о новых атомных часах была опубликована в издании Nature Communications (https://www.nature.com/articles/ncomms7896) – общедоступная статья.
Достигнутая точность хода иттербиевых часов означает их уход примерно на 0.1сек за все время существования Вселенной. Теперь они чувствуют изменение гравитационного поля Земли при изменении высоты всего на 1см! Физики предрекают огромные перспективы такому прибору. Уже произведена проверка с высокой точностью справедливость преобразований Лоренца в специальной теории относительности. Атомные часы показали их точность в пределах одной десятой части квадриллионной доли процента, что примерно в 100 раз выше точности предыдущих испытаний преобразований Лоренца – в переводе в относительные единицы это составляет как раз около 1.0∙10^-18.
В чисто технических целях он может быть использован для создания очень точной геодезической карты гравитационного потенциала поверхности Земли, как неидеальной сферы. В научных целях предполагается использование прибора для нового способа регистрации гравитационных волн, для экспериментов, которые исследуют квантовые корреляции (квантовую запутанность) между атомами, исследования темной материи и другие.
Другое направление развития прецизионных измерений времени – создание точных миниатюрных атомных часов. Современные технические средства позволяют промышленно выпускать миниатюрные атомные часы с точностью хода 10^-11 – 10^-13. Эта точность, конечно, намного ниже, чем у вышеописанных приборов, но зато они имеют размеры в несколько сантиметров, и многие могут питаться от обычной батарейки. Точность же, тем не менее, на 5 – 7 порядков превосходит точность кварцевых резонаторов, используемых в нынешних обычных устройствах.
Например, компания Microsemi предлагает коммерческий продукт – атомные часы Quantum SA.45s CSAC (Chip Scale Ftomic Clock) (рис.2) (https://actel.ru/item/atomnye-chasy-v-form-faktore-chipa-csac-sa-45s) – ссылка на реальный коммерческий сайт компании. Компания имеет торговое представительство в Санкт-Петербурге.
Рис.2. Миниатюрные атомные часы Quantum компании Microsemi.
Часы имеют объем 16.5см3 – примерно 4.06х3.53х1.14см, весят 35г, потребляют мощность менее 120мВт, то есть, спокойно могут питаться от обычной батарейки. При этом кратковременная нестабильность хода не более 2,5×10^-10, что соответствует точности 1 сек за 125 лет, а дрейф частоты за месяц – не более 3×10^-10. Часы имеют интерфейс RS-232 для связи с компьютером. Рабочим веществом дискриминатора являются атомы цезия, заключенные в сверхминиатюрный объем и освещаемые специальным лазером, что и позволило радикально сократить энергопотребление.
Новые атомные часы, описанные в журнале «Applied Physics Letters», являют собой самый настоящий шедевр сверхминиатюризации. В кремниевом квадратике со стороной 1,2 миллиметра и толщиной 0.375мм пробивается сквозной колодец со стороной 600 мкм, в который «помещается» цезиевое облако. Сверху и снизу он закрывается тоненькими стеклышками.
А далее, как в стандартном лазерном проигрывателе или бытовом
DVD-плейере, цезий освещается лазером и начинает выдавать полезный
тактовый сигнал с частотой 9 192 631 770 герц.
Так получили атомные часы, энергопотребление которых составляет
милливатты, что позволяет использовать для их питания стандартную батарейку.
Авторы, создавшие сей уникальный шедевр, сравнимый с подкованной Левшой блохой, поясняют, что конечно, точность их новых часов на порядки уступает часам-шкафу, которые дают секундную ошибку за миллиарды лет. Но зато стоимость новых «часиков» составляет даже сейчас всего лишь 120 долларов, а при массовой «штамповке» будет и того меньше. Зато какие возможности открываются для научных и бытовых электронных устройств!
Достаточно привести всего лишь один пример использования таких точных наручных часов, а именно в системе GPS - Global Positioning System — Системе глобального позиционирования, или определения местоположения. С новыми часами такая система станет доступной для каждого, причем точность определения места достигнет буквально миллиметров, а не метров, как сейчас.
Самым миниатюрным «сердцем» атомных часов на данный момент является атом азота, внедренный в молекулу фуллерена – так называемый эндоэдральный фуллерен с формулой N@C60 - один атом азота на 60 атомов углерода в молекуле фуллерена. Рабочее вещество из таких молекул обладает резонансным поглощением высокочастотной радиоволны на определенной частоте. Однако говорить о каком-либо практическом применении таких устройств преждевременно, хотя бы потому, что при скромных метрологических характеристиках они очень дороги – один грамм азотного фуллерена стоит 266 млн долларов. Говорят, что дороже стоит только антивещество, один грамм которого стоит вроде бы 48 триллионов долларов.
Выводы. Достигнутые успехи в создании сверхпрецизионных часов вызывают восхищение. Полученная точность кажется совершенно невероятной, но она достигнута! Эта точность позволила выполнить ряд физических экспериментов – как новых, так и повторение старых с повышением их точности и надежности. В дальнейшем, по-видимому, рост точности не остановится, атом, как идеальный осциллятор, в ближайшее время останется основным элементом таких часов, развитие будет обусловлено открытиями новых атомных и ядерных эффектов, использование которых позволит повысить метрологические характеристики. Продолжится техническое совершенствование, позволяющее, во-первых, получить научно-технический прибор из научной установки, а во-вторых, создавать простые и недорогие технические устройства, широко используемые в технике и в бытовых гаджетах.
Научно-технический прогресс не удержать!
Вступите в группу, и вы сможете просматривать изображения в полном размере
Это интересно
+1
|
|||
Последние откомментированные темы:
-
Физик заявил, что на Земле живут миллионы пришельцев
(4)
TatiKa
,
26.02.2022
-
Британский ученый призывает к освоению Нептуна и Урана
(4)
фм+/
,
14.02.2022
-
NASA наймет теологов для выполнения необычного задания
(6)
TatiKa
,
10.02.2022
-
Сан-Марино может стать новой «Женевой НЛО»
(4)
фм++)
,
11.01.2022
20240424123417