Сьогодні ми вміємо надзвичайно точно вимірювати час. А все завдяки тому, що давно вже не покладаємося на шестерні, пружини, чи навіть кристали кварцу. Найточніші у світі годинники використовують коливання самих атомів.
Історія точності годинників
70 років тому, 3 жовтня 1956 року, американська компанія National Radio Company представила у Нью-Йорку перший у світі атомний годинник Atomichron. Це був велетенський прилад висотою понад 2 м і вагою 350 кг. Не дивно, що основними клієнтами, які його придбали, стали військові та наукові установи. Проте саме він розпочав нову добу вимірювання часу, про яку люди й не мріяли ще кілька століть тому.
Взагалі сам час — поняття астрономічне. Ми знаємо, що існує така річ, як дні, місяці та роки завдяки тому, що бачимо рух Сонця, Місяця та зір, і колись цього було достатньо. Але потім нам знадобилося вимірювати його точніше, ніж у категоріях «ранок — полудень — вечір».
Для того, аби зробити це, люди придумали сонячний годинник. Так з’явилося саме поняття «години». Але тінь від стовпа — вкрай неточний індикатор навіть тоді, коли він розміром із будинок. Тому люди знайшли інший спосіб.
Водяні та пісочні годинники були практичнішими. Принцип їхньої роботи полягав у тому, що рідина чи сипкий матеріал під дією гравітації проходить крізь отвір фіксованого розміру за стандартний час.
Ці пристрої дозволяли визначати проміжки часу з точністю до секунди, але, як правило, значно менші за добу, і після перетікання матеріалу з ємності у ємність їх треба було перевертати.
Саме тому наступним кроком стали механічні годинники. Вони працювали завдяки обертанню коліщаток, маятників, енергії пружин та ваг. Ці пристрої вперше з’явилися у ХІІІ столітті, були гігантськими та призначалися для встановлення на баштах. Проте вже до початку 1500-х років стали достатньо малими, щоб носити їх у кишені.
Це було зручно, оскільки механічні годинники вимагали лише заводити їх раз на кілька діб і забезпечували точність до кількох секунд на добу. При цьому найточнішим способом визначення часу залишалася астрономія, адже сходження Сонця і зір можна вирахувати з точністю до часток секунди. Проте це могли робити тільки астрономи, тому для повсякденного застосування цей спосіб залишався непрактичним.
Кварцеві генератори
Загалом ще кілька століть тому науковці зрозуміли, що головне для очного годинника — мати якийсь генератор коливань, який видаватиме їх із рівними проміжками протягом тривалого часу. Найпримітивніший спосіб досягти цього — маятник. Проте його період занадто довгий і до того ж схильний до затухання.
Інший, значно кращий спосіб — використовувати коливання, які виникають у кристалах, наприклад, у кварці під час пропускання крізь них струму. Перший кварцевий годинник був сконструйований ще 1927 року, однак на ринку наручну модель вперше представила компанія Seiko 1969-го.
Зараз мобільні телефони та ноутбуки перевіряють свою роботу завдяки прийманню сигналів точного часу. Однак вони здатні рахувати час і без інтернету. Для цього в їхній конструкції присутній крихітний кристал кварцу, який задає ритм. Зазвичай він вібрує на частоті 32 768 Гц.
Атомний годинник
Ще 1879 року англійський фізик Вільям Томпсон, він же лорд Кельвін, зазначив, що власні коливання атомів відбуваються із дуже високою і наперед відомою частотою, й запропонував використовувати це для створення надзвичайно точних годинників. Проте його ідею реалізували лише у ХХ столітті.
У сучасних атомних годинниках найчастіше використовують атоми цезію та рубідію. Їхня особливість полягає в тому, що під дією мікрохвильового випромінювання відповідного для сучасної техніки діапазону атоми переходять між енергетичними станами з надзвичайно стабільною та точно визначеною частотою.
Над атомним годинником на основі атомів цезію ще у 1930-х роках працював американський фізик Ісідор Рабі, однак його роботі завадила Друга світова війна. Тож перший робочий зразок отримали 1949 року в Американському комітеті зі стандартів. Щоправда, працював він на коливаннях молекул аміаку і мав відносно невисоку точність.
Саме тому розробники повернулися до цезію-133 і вже 1955-го отримали перший експериментальний зразок. Після його виходу на ринок інші компанії доєдналися до вдосконалення конструкції, й уже 1964 року Hewlett-Packard представила зразок розміром із невелику валізу.
Пізніше були створені окремі моделі розміром із роутер. Саме вони встановлені на супутниках, з якими звіряється по бездротовим сигналам домашня електроніка. У 2011 році з’явилися мініатюрні атомні генератори коливань Quantum, які можна використовувати у наручних годинниках.
Щоправда, цього досягнули за допомогою застосування спрощеної схеми. У ній не було магнетронів, лише інфрачервоний лазер і оптична система вимірювання коливань. У результаті цього годинник дає похибку «аж» в 1 секунду на 600 років роботи.
Для порівняння, лабораторні зразки дають похибку в 1 с за 100 млн років. У 2013-му був створений атомний годинник на основі коливань атомів ітербію. Вони відбуваються ще частіше, ніж у цезію, тож, за заявами розробників, похибку в 1 с цей пристрій дає за 1 млрд років.
Навіщо потрібні атомні годинники?
У 1967 році Міжнародне бюро мір та ваг визначило секунду як час, за який атом цезію встигає зробити 9 192 631 770 переходів між двома станами. Таким чином, зараз усе наше визначення часу прив’язане до атомного годинника.
Крім того, до нього прив’язано багато суто прикладних завдань, передусім навігація. Супутники глобальних систем позиціонування визначають відстань до приймача на Землі по затримці радіосигналу, а вона становить крихітні долі секунди. Тому здатність визначати положення до метра — це прямий наслідок здатності визначати час до мікросекунди.
Наступна важлива галузь, в якій використовуються атомні годинники, — зв’язок та телекомунікації. Часто в них потрібна ідеальна синхронізація передачі сигналу. Тому всі затримки на серверах і базових станціях, навіть ті, що тривають тисячні долі секунди, мають бути враховані.
Також точне визначення часу потрібне в різноманітних транспортних системах та енергетиці. І, звичайно ж, атомні годинники важливі для проведення багатьох наукових експериментів.
