Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы

МОСКВА, 27 окт — РИА Новости, Ольга Коленцова. Что такое время? Режиссеры фантастических фильмов считают, что это некое измерение, по которому можно передвигаться. В реальном мире время определяется положением предметов в пространстве. Теоретически, если мы сможем вернуть каждую частицу во Вселенной в состояние и положение, в котором все частицы находились в определенный момент, то совершим путешествие в прошлое. Итак, пока наши знания дают возможность определять время в зависимости от механических изменений, происходящих в мире. Например, одно полное вращение вокруг своей оси Земли определяет день, а круг, совершенный ею вокруг Солнца, — год. Но у людей появилась необходимость разбить сутки на более маленькие и четко определяемые отрезки времени — часы, минуты, секунды. Для отсчета этих единиц люди придумали особые устройства — часы. Их история длится века, а вместе с технологиями растут и требования к точности измерения времени. Если в быту мы отлично обходимся механическими и электронными часами, то наука требует куда более точных приборов. Основой для подсчета времени служит некое повторяемое событие, когда объект возвращается в начальное состояние через строго определенный промежуток времени. Например, в механических часах крутятся шестеренки (или качается маятник), а в песочных часах наступает момент, когда все частички падают на дно сосуда. Песочные часы Конечно, современные электронные и механические часы намного точнее их предшественников — водных, песочных и солнечных. Но для некоторых сфер жизни требовались еще более точные механизмы. И люди создали часы, работающие на основе процессов, происходящих внутри атома. Как известно, атом состоит из ядра и электронного облака. Электроны располагаются на разных энергетических уровнях. Чем дальше находится электрон от ядра, тем большей энергией он обладает. Представьте привязанную к стальной балке собаку прочным, но растяжимым поводком. Чем дальше она хочет отойти, тем сильнее ей надо натянуть поводок. Конечно, сильная крупная собака сможет отойти дальше, чем маленькая и слабая. Атомные часы CS2 При переходе на уровень ниже электрон испускает энергию, а при переходе на более высокий уровень — поглощает. "Прыжками" электронов можно управлять при помощи электромагнитного излучения, являющегося источником энергии. Излучение имеет определенную частоту. Эта величина обратна периоду колебания, то есть времени, необходимому для возвращения совершающего "замкнутые" движения объекта в первоначальное состояние. Для атомных часов используют следующие элементы: кальций, цезий, водород, тулий, стронций, рубидий, торий, йод, метан. Одним из самых часто применяемых элементов для таких устройств является цезий. Электроны в атомных часах на основе цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 Гц. Именно на такое число промежутков делится секунда в этих природных часах! Согласно этому определению, официально принятому еще в 1967 году на Генеральной конференции по мерам и весам, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени. От точности определения секунды зависит подлинность установления других основных единиц физических величин, таких как, например, вольт или ватт, содержащих время в своем определении. «Двойные» атомные часы, созданные в США Работают сверхточные часы следующим образом. Цезий-133 нагревают, и некоторые атомы покидают основное вещество. Далее они проходят через магнитное поле, которое отсеивает атомы с нужными энергетическими состояниями. Отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к частоте электромагнитного излучения при переходе электрона с одного уровня на другой в цезии-133. Под воздействием поля атомы меняют энергетические состояния и попадают на детектор, который фиксирует момент, когда наибольшее количество атомов будет обладать нужным энергетическим состоянием. Тогда значение частоты электромагнитного поля подается в делитель частоты, определяющий свою единицу посредством деления секунды. Получается "новая секунда", принимаемая за эталон минимальной единицы времени. Так художник представил себе распределение атомов по энергетическим состояниям На данный момент самыми точными являются часы на основе атомов тория-229, сделанные британскими учеными. Исследователи утверждают, что отставать эти часы будут на десятую долю секунды за 14 миллиардов лет! Существуют и наручные атомные часы, представленные на площадке Kickstarter компанией Bathys Hawaii. В них используется маломощный лазер, нагревающий газообразный цезий-133, атомы которого переходят с одного энергетического уровня на другой. Чип фиксирует периоды электромагнитного излучения при осуществлении этих переходов. Правда, в качестве источника питания используется обычный литий-ионный аккумулятор. Пока что их прототип довольно громоздок и не похож на последнюю техническую новинкуПрототип наручных атомных часов Конечно, необходимость атомных часов в быту можно подвергнуть сомнению. Но они способны значительно повысить синхронизацию времени в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, а также помочь в научных исследованиях.