Российские ученые присоединились к созданию самого точного эталона времени
Эталоны времени вплотную приблизились к своим пределам. Сегодня точность определения единицы времени с помощью атомов стронция составляет 10 в минус 18-й степени секунды. Но даже этого недостаточно для внедрения в будущем более точной навигации, повышения безопасности банковских переводов и шестого поколения мобильной связи, известного как 6G. Поэтому ядерный эталон на основе радиоактивного тория-229 уже прочат на замену атомным эталонам времени и частоты. Несколько групп ученых смоделировали часы на его основе в этом году. Обозреватель МК узнал, как изменится жизнь человечества с их созданием и внедрением.
Стронциевые атомные часы. Фото: Н. Веденеева
Для обычного пользователя наручных часов, как мы с вами, достаточно рассчитывать время с точностью до минуты. То есть, чтобы не опаздывать на работу, нам достаточно обычных механических часов. Так бы человечество и дальше довольствовалось эталоном в виде обычного маятника, если бы не появились механизмы, требующие более точной проверки, например, навигационные спутники, требующие точности на уровне наносекунд. Поэтому были разработаны атомные часы — прибор, в котором в качестве периодического процесса используются периоды изменения состояния атома. В 1967 году все страны мира признали атомы цезия-133 эталоном времени. Этот эталон действует и поныне: 1 секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения в атомах цезия.
Атомные часы играют важную роль в определении положения космических аппаратов, самолетов, подводных лодок и автомобилей. Все телекоммуникационные компании, включая станции мобильной связи и службы точного времени, работают по атомному стандарту.
В России формирование единицы секунды и национальной шкалы времени происходит в лаборатории измерительно-вычислительных систем и комплексов Государственного первичного эталона времени и частоты, которая находится во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений.
Таинство воспроизведения единицы времени происходит здесь на цезиевых атомных часах фонтанного типа. Как в настоящем фонтане с водой, в них на высоту двух метров подбрасываются охлажденные атомы цезия, регистрируются там, а затем снова летят вниз. Так рождается современная секунда. Погрешность расчета периодов атома цезия составляет 1,2 умножить на 10 в минус 16-й степени. Такая же погрешность у эталонов секунд всех ведущих стран мира.
Этот эталон сегодня позволяет группам спутниковой навигации обеспечивать точность определения местоположения пользователя до метров. Но ряд стран, в том числе и наша, уже работают над совершенствованием атомных часов, пытаясь довести точность определения местоположения до дециметров. Так называемые стронциевые атомные часы позволяют достичь точности расчета секунды до 10 в минус 18-й степени, что более чем на порядок отличается от существующего международного эталона. В стронции регистрируется еще один тип излучения – оптическое.
Такие часы, установленные на спутниках, позволят определить положение объекта на Земле с точностью до сантиметров!
Атомные фонтанные часы. Фото: Н. Веденеева
То есть, не за горами то время, когда принятый международный стандарт, определяющий «размер» секунды по цезию, перейдет на оптическое излучение атомов стронция. А может быть, сразу — на ядра тория?
– Сегодня ученые учитывают все факторы, которые влияют на атом, – говорит директор Физического института имени П. Н. Лебедева РАН Николай Колачевский. – Но на точность таких часов все равно влияет окружающее пространство. Система, в которой все это находится, довольно сложная и хрупкая. Представьте себе: атомы захватываются лазерными лучами, охлаждаются, подбрасываются вверх, затем снова сбрасываются вниз…
Давняя мечта метрологов – придумать что-то сопоставимое по точности с лучшими атомными часами, но чтобы они работали надежнее, например, как часы в смартфоне, несмотря на тряску или колебания температуры.
– Можно и так сказать. Например, в моем и вашем телефонах стоит кварцевый генератор – твердое тело, которое генерирует колебания с хорошей точностью, но не дотягивает до точности атомных часов. Например, изменение температуры кварцевого кристалла не позволяет повысить точность. В свою очередь, попытка внедрить в тот же кварц атомы цезия обречена на провал: в твердом теле атомы очень сильно взаимодействуют друг с другом, и их электрическое поле не позволяет сделать точные часы. И как было бы удобно работать с небольшим твердым кристаллом, а не с атомным фонтаном: кристалл можно запустить в космос, возить в машине.
Около 30 лет назад была выдвинута (можно сказать, витала в воздухе) идея об использовании в качестве такого осциллятора слаборадиоактивного твердого вещества — ядер тория-229. Если в газообразном цезии переходы рассчитываются переходами электронов, вращающихся вокруг ядра атома (что делает систему чувствительной к электрическим полям), то в тории периоды колебаний рассчитываются изменениями конфигурации самого ядра. Оно очень мало, на пять порядков меньше самого атома, поэтому воздействие на него всевозможных полей гораздо слабее.
— Да. И в этом году случился настоящий прорыв — сразу несколько групп ученых нашли необходимую частоту лазерного излучения, под воздействием которой ядро тория начало резонировать. Правда, обнаруженный переход пока имеет погрешность в точности расчета секунды — 10 в минус пятнадцатой степени, то есть меньше, чем у нынешнего цезиевого эталона. Но это только начало — резонно предположить, что через несколько лет этот радиоактивный изотоп позволит нам уточнить определение секунды до 10 в минус двадцатой степени, то есть улучшить нынешний эталон времени на четыре порядка. Технология получения кристаллов и возбуждения перехода из тория достаточно сложна. Но если удастся сделать точные часы, то, возможно, эта работа будет удостоена Нобелевской премии.
Сверхминиатюрные атомные часы (размером со спичечный коробок). Источник ВНИИФТРИ
– Шансы, безусловно, есть. Во-первых, госкорпорация «Росатом» может производить торий-229 в нужных исследователям количествах, что доступно немногим в мире. Во-вторых, над ядерным стандартом частоты сейчас работают умы специалистов нескольких российских институтов. МИФИ всегда был лидером в исследованиях тория, есть разработки в Казанском федеральном исследовательском центре и здесь, в ФИАНе.
– Конечно, никто не будет его использовать напрямую. Мы не задумываемся о мощности компьютеров и навигационных систем, которые подключаются к работе, когда мы нажимаем кнопку в Google или Yandex в момент определения точности нашего местоположения при заказе такси. На самом деле, в этот момент используется высокоточная информация со всех спутниковых группировок — ГЛОНАСС и GPS, работающих на атомных мерках. Точность их работы с атомными часами улучшится многократно!
– Сейчас строится так называемый Интернет вещей — концепция сети передачи данных между физическими объектами («вещами»). Одним из примеров такой сети может стать беспилотный городской транспорт. Каждый автобус и троллейбус будут оснащены средствами взаимодействия друг с другом или с внешней средой, то есть светофорами и людьми, переходящими дорогу. Здесь не обойтись без молниеносной мобильной передачи данных уровня 6G. И он сможет работать только с самыми точными частотными стандартами, которые будут поддерживать высокие скорости передачи данных.