Ученые Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали часы на основе атомов тулия, способные увеличить точность навигационных систем типа ГЛОНАСС. О разработке во время личной встречи с президентом РФ ранее рассказал президент РАН Геннадий Яковлевич Красников, отметив высочайшую точность изобретения — 10 в минус 16-й степени. Корреспондент портала «Научная Россия» узнал у директора ФИАН академика Николая Николаевича Колачевского подробности о принципах работы этих часов.
«История атомных часов начинается примерно в 60-х годах прошлого века, когда стало понятно, что возбуждение переходов между уровнями внутри атомов представляет собой очень хороший «маятник». Мы привыкли к часам как к механизму, где период времени задается определенным маятником, природа которого может быть разной: механический маятник, кварцевый осциллятор в часах телефона или наручных часах, где вибрация возникает за счет колебаний кристалла кварца. Следующий шаг — человечество осознало, что переходы в таких атомах, как водород, цезий, рубидий, — это переходы между компонентами сверхтонкой структуры атома определенного типа. Нобелевская премия Басову и Прохорову за открытие лазерно-мазерной генерации во многом легла в основу создания атомных часов. Это привело к революции: в 1967 году была переопределена секунда в системе СИ. Было понято, что эти переходы очень воспроизводимы, а для часов главное — чтобы они не убегали и не отставали», — объяснил академик.
В последние два десятилетия произошел переход от радиочастотного диапазона в атомных часах — например, первичный эталон 9 гигагерц в атомах цезия, — к так называемым оптическим атомным часам. В них «маятник» колеблется не с частотой порядка 10 миллиардов колебаний в секунду, а с гораздо более высокой частотой лазерного света. Такие часы оказываются существенно точнее — на несколько порядков. Лучшие атомные часы радиочастотного диапазона обеспечивают точность до 16-го знака после запятой, а лучшие оптические часы превосходят их примерно на три порядка — это 10 в минус 19 степени в относительных единицах.
«Пока большинство таких систем — это либо лабораторные установки, либо транспортируемые системы размером с фургон. Они еще не имеют компактного вида, чтобы помещаться в карман или сотовый телефон, но человечество постепенно движется к этому. Как атомные часы используются в навигации? Они уже давно применяются в системах типа ГЛОНАСС, GPS, Galileo. Когда мы определяем свое местоположение с помощью телефона, мы опосредованно используем сигналы точного времени со спутников. Чем точнее эти импульсы, тем лучше качество навигации. Для обеспечения погрешности в один метр, что достаточно для многих задач (такси, доставка), необходима точность до 14-го знака после запятой на борту спутника. Сейчас там работают цезиевые, рубидиевые атомные часы и водородные мазеры, которые также по сути являются атомными часами. Кстати, водородные мазеры — это в значительной степени российское изобретение и внедрение, довольно компактная система весом около 10 килограммов», — подчеркнул Н.Н. Колачевский.
Следующим шагом будет переход к новейшим атомным оптическим часам. В России, США и других странах ведутся работы по созданию достаточно компактных устройств массой около 10 килограммов, пригодных для запуска в космос. Это обеспечит, как минимум, повышение точности навигации еще на порядок — примерно до 10 сантиметров и ниже. А такая точность уже будет востребована, например, для беспилотных средств доставки, где погрешность в метр является слишком большой.
Новость подготовлена при поддержке Российской академии наук
Фото: Елена Либрик / Архив Научная Россия
