«Атомные» часы
Ф. С. Завельский, инженер. Рис. М. Симакова
Измерить какую-либо величину — это значит сравнить ее с другой, однородной ей величиной, принятой за единицу. Например, длину куска материи сравнивают с длиной метра.
Единицы измерения
Измерить какую-либо величину — это значит сравнить ее с другой, однородной ей величиной, принятой за единицу. Например, длину куска материи сравнивают с длиной метра. В древности в качестве единицы длины употреблялись: «локоть», «полег стрелы», «дневной переход», а позже — аршин, фут, в качестве единиц времени — промежуток от одной жатвы до другой, от одного периода дождей до другого. Некоторые народы отмеряли время по первому снегу, другие — по появлению над горизонтов определенных созвездий или звезд.
Неудобство применения этих единиц для измерений связано с их произвольностью и невозможностью точного воспроизведения. Такое положение для частной жизни было неудобным, а дли науки, техники и промышленности совершенно неприемлемым.
Желание создать для измерений воспроизводимые единицы привело ученых к мысли о возможности использовать для этого движение и вращение Земли. За единицу времени — секунду — была принята длительность 1/86400 части средних солнечных суток. За единицу длины — метр — длина одной сорокамиллионной части меридиана, проходящего через город Париж. За единицу веса — килограмм — вес одного кубического дециметра дистиллированной воды на уровне моря, в средней географической широте, при нормальной температуре. Эта единицы вначале казались вполне удовлетворительными и постепенно были введены почти во всех странах мира.
Однако новые измерения длины меридиана давали более точные данные, которые обусловливали некоторые поправки в длине образцового метра. Тогда были решено сделать образцовый метр-эталон и килограмм-эталон и в дальнейшем уже не менять их величины.
Значительно труднее обстоит дело с единицами времени. Эталоном, с которым согласовываются приборы для измерения времени, является скорость вращения гигантских часов, устроенных самой природой и состоящих из Солнца и Земли. Длительность полного оборота Земли вокруг Солнца называют годом, длительность полного оборота Земли вокруг собственной оси — сутками. Для установления времени в промежутках между его астрономическими определениями применяют часы. В древности для этой цели служили песочные, водяные, огненные часы, в XIV—XV веках — колесные, с XIV века — маятниковые, а в XIX—XX веках — маятниковые и кварцевые астрономические часы высокой точности
Современные астрономические часы
Самой существенной частью часов является маятник, который своими колебаниями отмеряет время. Поэтому в астрономических часах стараются создать возможно лучшие условия для работы маятника: уменьшить его механическую нагрузку, сделать постоянной температуру помещения, устранить толчки, ослабить сопротивление воздуха и т. д. Для этого наиболее точные астрономические часы помещают в глубокий подвал, где круглый год поддерживается определенная температура. Маятник часов при этом заключают в кожух, из которого выкачан воздух. Все это очень важно, так как изменение атмосферного давления только на один миллиметр ртутного столба меняет суточный ход часов с незащищенным маятником на 0,015 секунды.
Весьма высокой точностью обладают астрономические часы с двумя маятниками, где один из маятников, связанный с различными передаточными и указывающими механизмами, управляется другим — свободным. Связь свободного маятника непосредственно с часами осуществляется при помощи электромагнитов. Погрешность хода этих часов составляет 0,002—0,003 секунды в сутки. Такие часы с двумя маятниками построены в СССР в лаборатории Всесоюзного научно-исследовательского института метрологии имени Д. И. Менделеева известным советским механиком И. И. Кваренбергом.
Еще более полно идея свободного маятника осуществлена в астрономических часах с фотоэлектрическим контактом. В них маятник не движет никаких колес, а лишь разрывает при своих качаниях путь светового луча.
В последние годы появились кварцевые астрономические часы. Пластинка из кристалла кварца, соответствующим образом вырезанная и укрепленная, при включении в цепь радиотехнического генератора совершает механические колебания с большим постоянством частоты и очень малым затуханием. Поэтому она может быть использована в часах вместо маятника — нужно только суметь заставить эту систему управлять движением стрелок или иных указателей. Это достигается с помощью специальных устройств, которые доводят частоту колебаний переменного тока до 300— 1000 периодов в секунду и приводят в действие синхронный электромотор, передвигающий стрелки часов.
Погрешность хода кварцевый часов — около 0,0002—0,0003 секунды в сутки, то есть еще меньше, чем у лучших маятниковых астрономических часов.
Эталон времени
Измерения времени имеют большое практическое значение. Являясь основой точных измерений географической долготы местности, они необходимы при составлении карт обширной территории Советского Союза, для создания опорных геодезических пунктов, в решении целого ряда научных и технических задач. Поэтому повышение точности при измерении временя является очень важным. Между тем даже самые лучшие астрономические часы имеют слишком большую для некоторых работ погрешность, причем ошибка в их показаниях с течением времени накапливается. Поэтому такие часы регулярно проверяются с помощью астрономических наблюдений.
Но есть ли уверенность в том, что наш первичный эталон времени — вращение Земли — вполне равномерен? Астрономами наблюдаются периодические колебания движения Луны и внутренних планет. Совпадение этих колебаний между собой указывает на то, что в них повинны не Луна и планеты, а Земля. Таким образом, положение о неизменности угловой скорости вращения Земли ныне фактически опровергнуто. Итак, поскольку вращение Земли является не абсолютно точным эталоном времени, необходимо отыскать другой, лучший и в тому же легко воспроизводимый.
Атомные эталоны
Уже давно стало ясно, сколь многообещающим в отношении точности и воспроизводимости может быть применение в измерительной технике атомных процессов.
Использование атомных колебаний для создания нового эталона времени оказалось крайне затруднительным вследствие того, что их частота очень велика и поэтому трудно связывается с какой-либо механической или электрической системой, указывающей время. Колебания атомов в молекуле происходят с относительно меньшей частотой. Поэтому для указания времени более удобным оказывается использование не атомных систем (электроны и ядро), а молекулярных (несколько связанных между собой атомов). В соответствии с этим такие часы правильнее было бы называть молекулярными.
Советской школе физиков принадлежат выдающиеся работы в области изучения атомных и молекулярных колебаний. Труды академика С. И. Вавилова в области структуры света, академиков Л. И. Мандельштама и Г. С. Ландсберга по комбинационному рассеянию и работы ряда других ученых позволили объяснить эти явления и использовать их для создания различных технических приборов. «Атомные» часы, в которых молекулярные колебания служат для весьма точного измерения частоты и времени, в свою очередь помогают решать вопросы строения атома.
Принцип действия «атомных» часов
»Атомные» часы состоят из стабилизированного кварцем радиотехнического генератора, умножителей частоты, волновода — медной трубки длиной 10 метров, наполненной аммиачным газом, дискриминатора, вырабатывающего «сигнал погрешности», делителей частоты и электрических часов с циферблатом и стрелками, приводимыми в движение синхронным мотором.
Частота колебаний маятника обычно невелика (1—2 в секунду) и поэтому не представляет трудностей для создания таких механических или электрических устройств, которые могли бы работать в такт с ним. Одно из этих вспомогательных устройств периодически подталкивает маятник так, чтобы его колебания не затухли, другое, управляемое им, движет указатели времени.
Роль маятника, то есть устройства, отмеряющего время, в «атомных» часах играют молекулы аммиака. Колебания молекул аммиака в этих часах возбуждаются и поддерживаются с помощью радиотехнического генератора. Для получения возможно более высокого постоянства частоты колебаний применяется стабилизация с помощью пьезокварца. Так как кварцевая пластинка не может колебаться со столь высокой частотой, как молекулы аммиака, то генератор работает на частоте в несколько сот тысяч периодов в секунду, подходящей для пьезокварца. Затем, с помощью частотноумножительных цепей, полученные токи преобразуются в ультравысокочастотные (микроволновые). Далее эти колебания направляются в волновод, наполненный аммиачным газом, распространяясь в котором они возбуждают колебания молекул аммиака.
Кварцевый стабилизатор стечением времени немного «стареет», При этом свойства его электрических контактов несколько меняются. Молекулы аммиака своих свойств не меняют, и поэтому их колебания являются надежным средством контроля постоянства всей системы.
Устройство прибора таково, что если частота электромагнитных волн, вырабатываемых радиотехническим генератором, хотя бы немного отличается от собственной частоты колебаний молекул аммиака, то в специальной части прибора — дискриминатора — появляется «сигнал погрешности». Блок, вырабатывающий сигнал, связан с генератором так, что он повышает или понижает частоту тока, приводя ее в точное соответствие с собственной частотой колебания молекул аммиака. Таким образом, радиотехнический генератор, имеющий склонность с течением времени к «отступлению», то есть изменению частоты, «привязывается» к частоте колебаний молекул аммиака.
Приведение в движение указателей времени в «атомных» часах осуществляется с помощью ряда каскадов понижения частоты, снижающих ее вплоть до 300— 1000 колебаний в секунду. Ток низкой частоты замыкает контакты сигнальных реле и с помощью синхронного электромотора вращает стрелки часов.
При утрате данного образца «атомных» часов в любое время могут быть изготовлены другие, по своим показаниям вполне сходные с ними.
Первые «атомные» часы, созданные в нашей стране, покачали хорошие качества и в настоящее время еще более усовершенствованы. Теоретически установлено, что в «атомных» часах достижима точность до миллионных долей секунды в сутки. Поэтому такие часы удобно использовать для хранения точного времени в промежутках между астрономическими определениями. Однако этим не ограничиваются возможности использования нового прибора.
Важно отметить, что «атомные» часы представляют собой новый эталон частоты и времени, независимый от астрономических наблюдений. В нем движения совершаются значительно более регулярно, чем в астрономических часах и системе Земля — Солнце.
Благодаря этому «атомные» часы позволяют проверять вращение Земли вокруг оси и обнаруживать неравномерность этого вращения, исследование которого представляет большой научный интерес.
Успехи советских ученых и конструкторов, работающих в области измерения времени, являются результатом упорной и плодотворной работы ряда коллективов научно-исследовательских институтов и обсерваторий, вооруженных передовой отечественной техникой. В настоящее время служба времени Советского Союза по своей точности является одной из ведущих в мире.
