Российские ученые создали самые точные часы в мире

Стандарт частоты и времени

От смены дня и ночи до маятников и квантовых систем – для измерения времени человек издавна пользовался разными периодическими процессами. Современные квантовые часы, они же – атомные и молекулярные, состоят из двух основных частей: генератора электромагнитных колебаний – маятника, и реперной спектральной линии – делителя, с помощью которого стабилизируется частота маятника. То есть, одно колебание маятника – это процесс, при котором он пересек реперную линию.

Каждую секунду в часах происходит строго определенное количество колебаний – их количество зависит от типа устройства. Их отмеряет специальный счетчик колебаний. Когда он фиксирует это определенное количество колебаний, он выдает импульс. Так отмеряется секунда. С 1967 года международная система единиц определяет одну секунду как время, за которое происходит 9 192 631 770 циклов таких колебаний.

Еще есть оптические часы. Они работают по тому же принципу, что и квантовые, только с помощью световой волны. Секунды отсчитывает лазерный маятник, который «тикает» в миллиард раз чаще, чем генератор самых точных квантовых часов. Благодаря этому оптические часы стабильнее и точнее квантовых.

Долгое время у оптических часов существовала серьезная проблема – их маятник так часто «тикал» (1014-1015 Гц), что эти колебания невозможно было отмерить. На рубеже XX и XXI веков эта проблема разрешилась: ученые создали специальный «делитель» – устройство, которое способно фиксировать и отмерять частоту периодических колебаний.

Читайте также из рубрики Наука: Прекрасные дороги будущего: как ученые из Петербурга борются за мир без пробок, светофоров и ДТП

После этого лаборатории по всему миру – в США, Германии, Франции, Японии, Китае, Индии – активно занялись различными проектами, работа которых основывается на оптических часах и генераторах. От разработки стандарта частоты сегодня зависит точность навигации, геолокации, системы связи и транспорта, что означает огромный рывок в экономике.

«Дальнозоркая» навигация

Без квантовых часов немыслимы GPS и ГЛОНАСС. Системы телекоммуникации, телефоны, системы энергоснабжения, навигаторы – все они соединены сетью из квантовых часов, установленных по всему миру. Системы навигации помогают человеку определить свое местоположение за счет связи со спутниками. Сегодня на таких спутниках установлены квантовые часы, в которых в качестве генератора выступают атомы цезия или рубидия.

Впервые воспользоваться спутниками для определения навигации предложил советский профессор Шебшаевич в 1957 году. Другим советским ученым идея понравилась, они стали изучать такую возможность и проводить исследования. Спустя десять лет на орбиту вывели первый спутник «Космос-192» навигационной системы «Цикада», которая проработает до 2008 года, пока не войдет в ГЛОНАСС.

Систему ГЛОНАСС советские ученые начали разрабатывать в 1967 году. Руководителем и «отцом» этой навигационной системы стал контр-адмирал, начальник Научно-исследовательского навигационно-гидрографического института Министерства обороны Юрий Максюта.

Максюте и его команде ученых предстояло решить проблемы, которые были выявлены при запуске «Цикады». Первая из них касалась шкалы времени на спутниках, которая должна была определять миллиардные доли секунд – наносекунды. Эту проблему разрешили – на спутнике установили часы с атомами цезия, которые стали работать точнее.

Второй вопрос – четкое определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников – решали долго. Проводили научные работы, изучали множество второстепенных факторов – неравномерность вращения Земли, движение ее полюсов и так далее. Но и эта проблему в итоге решили.

В 1978 году Максюту уволили в запас. К тому моменту не начались даже летные испытания навигационной системы – сроки постоянно сдвигали. Первый спутник – «Ураган» – в тестовом режиме запустили на орбиту только в 1982 году. Постепенно стали выводить другие спутники. К 1991 году в космосе их было двенадцать. В 1993 году систему ГЛОНАСС официально приняли в эксплуатацию. Ее «отец» Юрий Максюта этого момента не застал – он умер двумя годами ранее.

Читайте также из рубрики Наука: Российские ученые помогут северным регионам выращивать свои овощи

Как определяется геолокация? Пользователь жмет на GPS-приемнике на кнопку «Определить местоположение». Приемник отправляет сигнал в космос, ему отвечают несколько разных спутников. Они сообщают собственные координаты и текущее время на своих часах – эти данные у каждого спутника уникальны. Затем GPS-приемник анализирует эти данные: он определяет свое местоположение относительно положения спутников, вычисляет разницу времени на Земле и в космосе, а затем определяет скорость передачи радиоволн от каждого спутника к приемнику. И после этих вычислений приемник показывает точку на карте, в которой он находится. Все, местоположение установлено.

Таким образом каждый человек может прокладывать маршруты и находить себя в пространстве в режиме реального времени. И чем точнее работают часы на спутниках, тем точнее определяется геопозиция.

Скорость распространения сигналов спутника равна скорости света. Поэтому ошибка в одну секунду дает погрешность в 300 тыс. км. Для того чтобы погрешность была не более 30 метров, точность хода и синхронизации всех часов, входящих, например, в систему ГЛОНАСС, должна составлять одну наносекунду (10-9 секунд) – нормой, которую в прошлом веке установила группа Юрия Максюты, пользуются до сих пор.

Сейчас погрешность рубидиевых часов составляет около 10-14 секунд. Это значит, что на одну секунду они ошиблись бы один раз в три миллиона лет, если бы прибор смог проработать так долго. Обычных рубидиевых часов достаточно для нормальной работы простых геолокационных систем. Но чтобы геолокация определялась с точностью в три сантиметра, погрешность часов не должна быть больше 10-15 секунд. А эталонные часы, по которым вычисляется время на Земле, должны работать еще точнее.

Время повышенной точности

Лазерные часы, которые разработали ученые Физического института им. Лебедева (ФИАН) и Московского государственного технического университета им. Баумана, могут измерять время, а вместе с ним и определять геолокацию, гораздо точнее.

Их кратковременная стабильность – интервал «тиканья» генератора – превосходит лучшие маятники с самой разной частотой колебаний. Эти часы измеряют время на порядок точнее – до 10–15 секунд. Это возможно благодаря «оптическому маятнику» – лазерному генератору, который отличается высокой частотой колебаний и ее стабильностью. За то, что эта разработка лучше других часов измеряет короткие интервалы времени, она получила второе название – «оптический секундомер».

Новые часы более компактные и надежные в сравнении с уже существующими аналогами. Делитель частоты – реперная линия – в разработанных часах представляет собой компактный лазер, который по своим характеристикам не уступает зарубежным аналогам, объяснил автор разработки, заведующий лабораторией стандартов частоты ФИАН Михаил Губин.

Дороги без пробок и ДТП, подводное дыхание, инвалидное кресло, управляемое силой мысли, – еще больше открытий отечественных ученых в рубрике Наука 

«При соответствующем финансировании разработка может быть превращена в весьма полезный прибор. Высокоточные измерения, полученные оптическими часами, могут быть полезны для многих целей. Например, при глобальном дистанционном зондировании земной атмосферы, для изучения космических гравитационных волн, для высокоточных измерений длины в геофизике и геодинамике, в частности, для мониторинга движения континентов», – рассказал Михаил Губин.

В скором времени эти лазерные часы смогут улучшить точность работы ГЛОНАСС на суше, в море, в воздухе и космических объектах, находящихся на расстоянии до двух тыс. километров над поверхностью Земли. Увеличение точности спутниковых систем навигации даст толчок разработкам в области беспилотного транспорта. Финансирование проекта, который рассчитан на три года, суммарно составит около 18 млн рублей. А ученые уже проводят новые исследования лазера и обещают, что будущая разработка повысит стабильность частоты оптических часов еще на два порядка.