Часы. От гномона до атомных часов

Если представить себе радиопередачу сигналов эталона времени на миллионы микрорадиоприемников, встроенных в наручные часы граждан земного шара, живущих в той же полосе, то мы поймем, насколько неэкономично и излишне сложно то, что в часах каждого из нас работает отдельный часовой механизм. Ведь его ход также приходится дополнительно корректировать по сигналу времени, передаваемому с центральной часовой станции, но делать это вручную. Напрашивается перспективное решение, согласно которому вместо часового механизма мы бы имели на своих «часах» лишь электронное устройство — радиоприемник с подходящим дешифратором сигналов времени, который дешифровал бы первоначальные сигналы от сильно удаленного передатчика и превращал бы их в оптические или акустические сигналы времени. Такой приемник имел бы совершенно незначительный расход энергии, поскольку энергия расходовалась бы лишь в тот момент, когда нажимается кнопка информации о времени, а во все остальное время приемник был бы выключен. Одновременно отпала бы надобность в сложной и сравнительно дорогой системе из кварцевых кристаллов и генераторов, делителей частоты и счетчиков колебаний, которые теперь являются обязательным элементом для выработки сигналов времени в каждых электронных часах с кварцем[23].

Атомные часы

Если оценивать точность кварцевых часов с точки зрения их кратковременной стабильности, то надо сказать, что эта точность значительно выше, чем у маятниковых часов, которые, однако, при длительных измерениях обнаруживают более высокую стабильность хода[24]. У кварцевых часов неправильность хода вызывается изменениями во внутренней структуре кварца и нестабильностью электронных систем.

Главным источником нарушения стабильности частоты является старение кристалла кварца, синхронизирующего частоту осциллятора. Правда, измерения показали, что старение кристалла, сопровождающееся повышением частоты, протекает без больших колебаний и резких изменений. Несмотря на. это, старение нарушает правильную работу кварцевых часов и диктует необходимость регулярного контроля другим устройством с осциллятором, имеющим устойчивую, неизменную частотную характеристику.

Быстрое развитие микроволновой спектроскопии после второй мировой войны открыло новые возможности в области точного измерения времени посредством частот, соответствующих подходящим спектральным линиям. Эти частоты, которые можно было считать эталонами частоты, привели к идее использовать квантовый генератор в качестве эталона времени.

Это решение было историческим поворотом в истории хронометрии, поскольку оно означало замену ранее действовавшей астрономической единицы времени новой квантовой единицей времени. Эта новая единица времени была введена как период излучения точно определенных переходов между энергетическими уровнями молекул некоторых специально выбранных веществ. После интенсивных исследований этой проблемы в первые послевоенные годы удалось построить прибор, работающий на принципе управляемого поглощения микроволновой энергии в жидком аммиаке при весьма низких давлениях. Однако первые опыты с прибором, оснащенным абсорбционным элементом, не дали ожидаемых результатов, поскольку расширение абсорбционной линии, вызываемое взаимными столкновениями молекул, затрудняло определение частоты самого квантового перехода. Лишь методом узкого пучка свободно летящих молекул аммиака в СССР А.М. Прохоров и Н.Г. Басов, а в США Таунс из Колумбийского университета сумели существенно понизить вероятность взаимных столкновений молекул и практически устранить расширение спектральной линии. В этих обстоятельствах молекулы аммиака могли уже играть роль атомного генератора. Узкий пучок молекул, впущенный через сопло в вакуумное пространство, проходит через неоднородное электростатическое поле, в котором происходит разделение молекул. Молекулы в более высоком квантовом состоянии направлялись на настроенный резонатор, где они выделяют электромагнитную энергию с неизменной частотой 23 870 128 825 Гц. Эта частота затем сравнивается с частотой кварцевого осциллятора, входящего в схему атомных часов. На этом принципе был построен первый квантовый генератор — аммиачный мазер (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Таунс получили в 1964 г. за эти работы Нобелевскую премию по физике.

Изучением стабильности частоты аммиачных мазеров занимались также ученые Швейцарии, Японии, ФРГ, Великобритании, Франции и, не в последнюю очередь, Чехословакии. В период 1968-1979 гг. в Институте радиотехники и электроники Чехословацкой Академии наук построено и пущено в опытную эксплуатацию несколько аммиачных мазеров, которые выполняли роль частотных эталонов для хранения точного времени в атомных часах чехословацкого производства. У них была достигнута стабильность частоты порядка 10-10, что соответствует суточным изменениям хода в 20 миллионных частей секунды.