Юный техник, 2013 № 10

Чем точнее часы, тем больше они подходят для использования в навигации, средствах связи или вычислительной технике.

Именно поэтому мастера многие тысячелетия совершенствовали измерители времени, пройдя за это время путь от песочных и солнечных часов до часов атомных.

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.