Атомные часы

До 40-х годов XX в. приборы времени были основаны только на использовании колебаний механических осцилляторов – маятника, баланса со спиральной пружиной и кристалла кварца. У этих и других осцилляторов, имеющих макроразмеры, собственная частота колебаний в значительной степени зависит от ряда дестабилизирующих факторов (температуры, барометрического давления, степени старения материалов и т.д.). Поэтому они не могут обладать такой высокой стабильностью, какая нужна для точного измерения времени.

Эталон времени и частоты, основанный на астрономическом определении его, также оказался величиной непостоянной. Было установлено, что угловая скорость вращения Земли изменяется, в результате чего продолжительность суток в течение года может отличаться от средней их продолжительности за год на Ѓ} 0,001 с. Поэтому пришлось отказаться от меры времени–секунды как основного эталона времени (1/86 400 доли солнечных суток).

В последние десятилетия развитие атомной физики и микроволновой радиоспектроскопии привело к созданию принципиально нового эталона частоты и времени на атомных постоянных, разработанного на основе изобретения молекулярных и атомных часов. Последние основаны на применении таких осцилляторов, как атом и молекула, частота колеба-ний которых в микромире строго стабильна и не зависит от внешних воздействий и для которых справедливы законы квантовой механики. В молекулярных часах в качестве осцилляторов используются группы молекул, в атомных часах – группы отдельных атомов. Кроме того, эти квантово-механические приборы времени можно разделить, в зависимости от выбранного вида осциллятора, на аммиачные, цезиевые, водородные, рубидиевые и др.

Появление и развитие этих приборов времени произвело революцию в области измерения времени. Она явилась одним из важных направлений научно-технической революции XX в.

В развитии квантовой колебательной хронометрии до наших дней можно выделить два периода, из которых начальный приходится на подготовку и создание в 1948 г.: первый – молекулярных (на аммиаке) часов, а второй падает уже на наши дни, так как именно за последние тридцать лет были созданы все модели молекулярных и атомных часов.

Первые молекулярные часы, 1948 г. В молекулах возможны такие энергетические состояния, для которых изменение энергии (Еп – Ет), входящей в уравнения Бора, настолько мало, что частоты, соответствующие этим энергетическим разностям, лежат в области миллиметровых и сантиметровых волн.

В сантиметровом диапазоне радиоволн систематические исследования начались с 1946 г., после освоения этого диапазона в результате развития радиолокации. Особенное значение для создания первых молекулярных часов имело изучение радиоспектра газообразного аммиака в области сантиметровых и миллиметровых радиоволн. В газообразном аммиаке имеет место сильное избирательное поглощение на волне 1,25 см и существует еще ряд частот, при которых оно происходит. В разреженном газе эти области поглощения настолько узки, что образуют спектральные линии поглощения. Совокупность спектральных линий дает радиоспектр газа.

В 1947 г. спектральные линии поглощения аммиака были применены для стабилизации частоты отражательного клистрона – широко распространенной электронной лампы для генерации радиоволн сантиметрового диапазона, а в 1948 г. – для создания молекулярных (аммиачных) часов. Колебания атомов в молекуле происходят с относительно меньшей частотой, поэтому их легче было связать с механической или электрической системой, показывающей время. Этим и объясняется то, что раньше всего появились молекулярные, а не атомные часы.

Первые практические результаты, показавшие возможность создания молекулярных часов, постоянных в качестве эталона времени и частоты, были достигнуты в Национальном комитете стандартов в Вашингтоне на основе использования принципа, разработанного Гарольдом Лайонсом – сотрудником научно-исследовательской лаборатории по изучению микроволн.

Опытным путем было обнаружено, что в волноводных трубках, заполненных аммиаком при атмосферном давлении 10 – 2, т.е. в сильно разреженном состоянии, на волне 1,25 см можно получать довольно узкие спектры поглощения аммиака. Впервые это явление было замечено в отношении газов в 1934 г. Клеетоном и Вильямсом.