Специалисты из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) создали часы, использующие атомы тулия, что позволит повысить точность навигационных систем, таких как ГЛОНАСС. О перспективной разработке президент РАН Геннадий Яковлевич Красников ранее сообщил, в ходе личной встречи с президентом Российской Федерации, подчеркнув исключительную точность изобретения – 10 в минус 16-й степени. Корреспонденту портала «Научная Россия» директору ФИАН, академику Николаю Николаевичу Колачевскому, удалось рассказать о принципах функционирования этих часов.
«История развития атомных часов берет свое начало в 60-х годах прошлого века, когда стало ясно, что возбуждение переходов между уровнями внутри атомов может служить весьма точным «маятником». Традиционно мы воспринимаем часы как устройство, в котором период отсчета времени определяется определенным маятником, который может быть реализован различными способами: механическим маятником, кварцевым осциллятором в телефонных или наручных часах, где вибрация обусловлена колебаниями кристалла кварца. Дальнейший этап – человечество осознало, что переходы в атомах, таких как водород, цезий или рубидий, представляют собой переходы между компонентами сверхтонкой структуры атома определенного типа. Нобелевская премия, присужденная Басову и Прохорову за открытие лазерно-мазерной генерации, во многом послужила основой для создания атомных часов. Это послужило причиной революции: в 1967 году произошло переопределение секунды в системе СИ. Было установлено, что эти переходы отличаются высокой воспроизводимостью, а для часов принципиально важно, чтобы они были стабильны и не отклонялись.
За последние двадцать лет наблюдается смена парадигмы в атомных часах: от использования радиочастотного диапазона, как, например, первичный стандарт на 9 гигагерц, основанный на атомах цезия, произошел переход к оптическим атомным часам. В последних колебания происходят не с частотой порядка 10 миллиардов колебаний в секунду, а с гораздо большей частотой, определяемой лазерным излучением. Это позволяет добиться значительно большей точности – на несколько порядков. Наиболее точные атомные часы, работающие в радиочастотном диапазоне, характеризуются точностью до шестнадцатого знака после запятой, в то время как лучшие оптические часы превосходят их примерно на три порядка величины – это 10 в минус 19 степени в относительных единицах.
«В настоящее время большинство подобных систем представляют собой либо лабораторные образцы, либо переносные устройства, сопоставимые по размеру с фургоном. Они пока не обладают достаточной компактностью, чтобы поместиться в кармане или мобильном телефоне, однако прогресс в этом направлении неуклонно достигается. Как же атомные часы находят применение в навигации? Они уже давно используются в таких системах, как ГЛОНАСС, GPS, Galileo. При определении местоположения с помощью мобильного телефона мы косвенно применяем сигналы точного времени, передаваемые со спутников. От точности этих сигналов напрямую зависит качество навигации. Для достижения требуемой погрешности в пределах одного метра, что приемлемо для решения многих задач, таких как заказ такси или доставка, необходимо обеспечить точность до четырнадцатого знака после запятой на борту спутника. На современных спутниках установлены цезиевые, рубидиевые атомные часы и водородные мазеры, которые также являются разновидностью атомных часов. По словам Н.Н. Колачевского, водородные мазеры – это в основном российская разработка и внедрение, представляющие собой довольно компактную систему весом порядка 10 килограммов.
Дальнейшим этапом развития станет внедрение новейших атомных оптических часов. В Российской Федерации, Соединенных Штатах Америки и ряде других государств осуществляются разработки относительно небольших устройств, весом около 10 килограммов, которые можно будет использовать для космических полетов. Это позволит, как минимум, увеличить точность навигации на порядок – приблизительно до 10 сантиметров и меньше. Подобная точность, к примеру, необходима для автономных систем доставки, поскольку погрешность в один метр является неприемлемой.
Материал создан при содействии Российской академии наук
Фото: Елена Либрик / Фотобанк «Научная Россия