Цезиевые часы¶

Цезиевые часы — это тип атомных часов, в которых в качестве источника периодического сигнала, используемого для стабилизации частоты кварцевого генератора, применяются переходы между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Цезиевые часы являются первичным эталоном времени и частоты, на основе которых в настоящее время (по состоянию на 2025 год) определяется международная система единиц (СИ) — секунда.

¶История

Идея использования атомных переходов для измерения времени была предложена в 1940-х годах. В 1945 году американский физик Исидор Раби выдвинул концепцию атомных часов, основанных на магнитном резонансе в молекулярных или атомных пучках. Первый действующий прототип атомных часов на аммиаке был создан в 1949 году в Национальном бюро стандартов США (NBS, ныне NIST). Однако аммиачные часы имели низкую стабильность.

В 1955 году в Национальной физической лаборатории Великобритании (NPL) Луи Эссен и Джек Пэрри построили первые цезиевые часы — NPL-Cs1. Это устройство стало первым практическим эталоном времени, использующим атомный переход. В 1967 году на 13-й Генеральной конференции по мерам и весам (CGPM) секунда была официально переопределена через частоту излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Это значение было принято равным 9 192 631 770 герц.

В последующие десятилетия цезиевые часы постоянно совершенствовались. В 1970-х годах появились коммерческие модели (например, HP 5060A от Hewlett-Packard). Развитие лазерных технологий в 1980-х и 1990-х годах позволило создать цезиевые фонтаны — устройства с гораздо более высокой точностью, чем классические пучковые часы. Первый действующий цезиевый фонтан NIST-F1 был запущен в 1999 году в США.

¶Принцип действия

Основой работы цезиевых часов является квантовый переход в атоме цезия-133. Атом цезия имеет единственный стабильный изотоп — Cs-133. Его основное состояние расщепляется на два сверхтонких подуровня (F=3 и F=4) из-за взаимодействия магнитного момента ядра с магнитным моментом электронной оболочки. Разность энергий между этими подуровнями соответствует частоте электромагнитного излучения, равной 9 192 631 770 Гц.

¶Классические пучковые часы

В классической конструкции (типа NPL-Cs1) атомы цезия нагреваются в печи до образования атомного пучка. Пучок проходит через магнитное поле, которое отклоняет атомы в зависимости от их магнитного момента. Затем атомы попадают в резонатор, где подвергаются воздействию микроволнового излучения с частотой, близкой к резонансной. Если частота точно совпадает с частотой перехода, атомы переходят на другой подуровень. После резонатора пучок проходит через второй магнит, который направляет атомы, совершившие переход, на детектор. Сигнал с детектора используется для точной подстройки частоты кварцевого генератора, который, в свою очередь, синхронизирует микроволновый источник.

¶Цезиевые фонтаны

Современные первичные эталоны — цезиевые фонтаны — работают иначе. Облако атомов цезия захватывается в магнито-оптическую ловушку и охлаждается лазерами до температуры порядка микрокельвинов. Затем атомы выбрасываются вверх, как фонтаном, через микроволновый резонатор. Атомы дважды проходят через резонатор — на подъёме и на спуске — что позволяет измерить частоту перехода с высокой точностью, минимизируя эффект Доплера. После второго прохождения атомы попадают в зону детектирования, где определяется их состояние. Такой метод позволяет достичь относительной погрешности порядка 1×10⁻¹⁶ и ниже.

¶Характеристики

Основные параметры цезиевых часов:

• Точность — степень соответствия измеряемой частоты истинной частоте перехода. Для лучших лабораторных фонтанов (например, NIST-F2) погрешность составляет около 1×10⁻¹⁶, что соответствует ошибке в одну секунду за 300 миллионов лет.
• Стабильность — способность поддерживать постоянную частоту во времени. Кратковременная стабильность коммерческих моделей — порядка 1×10⁻¹² за 1 секунду; долговременная — 1×10⁻¹⁴ за сутки.
• Воспроизводимость — возможность получения одинаковых результатов на разных экземплярах часов. Для первичных эталонов воспроизводимость составляет 1–2×10⁻¹⁵.

¶Применение

Цезиевые часы являются основой для хранения и передачи точного времени во всём мире. Основные области применения:

• Эталоны времени и частоты — цезиевые часы служат первичными эталонами в национальных метрологических институтах (например, ВНИИФТРИ в России, NIST в США, PTB в Германии). На их основе формируется Международное атомное время (TAI) и Всемирное координированное время (UTC).
• Спутниковая навигация — системы GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), Galileo (ЕС) и BeiDou (Китай) используют цезиевые часы на спутниках и на наземных станциях для синхронизации сигналов. В GPS на каждом спутнике установлены несколько цезиевых и рубидиевых атомных часов.
• Телекоммуникации — синхронизация сетей передачи данных, включая стандарты синхронизации SDH/SONET и 5G, требует высокой точности времени, которую обеспечивают цезиевые часы.
• Научные исследования — в экспериментах по проверке общей теории относительности, квантовой электродинамики, поиске вариаций фундаментальных констант, а также в радиоастрономии (интерферометрия со сверхдлинной базой).
• Геодезия и геофизика — измерение гравитационного поля Земли, изучение вращения планеты, прогнозирование землетрясений.

¶Сравнение с другими атомными часами

Помимо цезиевых, существуют другие типы атомных часов:

• Рубидиевые часы — компактнее, дешевле, но менее точны (погрешность ~1×10⁻¹²). Широко используются в спутниках и военной технике.
• Водородные мазеры — обладают высокой кратковременной стабильностью (до 1×10⁻¹⁵), но подвержены долговременному дрейфу. Применяются в радиоастрономии и космической навигации.
• Оптические часы — новейший тип, использующий переходы в видимом или ультрафиолетовом диапазоне (например, на ионах иттербия или стронция). Их точность на 2–3 порядка выше цезиевых (до 1×10⁻¹⁸), но они пока не приняты в качестве первичного эталона.

¶Перспективы

В 2019 году на 26-й CGPM было принято решение о возможной переопределении секунды на основе оптических часов, когда их точность и воспроизводимость будут достаточны для замены цезиевого эталона. Ожидается, что это произойдёт не ранее 2030-х годов. Тем не менее, цезиевые часы остаются основой международной системы времени в обозримом будущем.

В России разработкой и эксплуатацией цезиевых эталонов занимается Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) в подмосковном Менделеево. Отечественные цезиевые фонтаны (например, Cs-1) обеспечивают точность на уровне мировых стандартов.

¶Источники

• Essen, L., Parry, J. V. L. An Atomic Standard of Frequency and Time Interval // Nature. — 1955. — Vol. 176. — P. 280–282.
• Bureau International des Poids et Mesures (BIPM). The International System of Units (SI). — 9th ed. — 2019.
• National Institute of Standards and Technology (NIST). NIST-F1 and NIST-F2 Cesium Fountain Atomic Clocks.
• Рекомендации Международного союза электросвязи (ITU-R TF.460-6).