С точностью до атома

Как работает современная мировая хронометрия

История атомных часов показывает, как метрология постепенно привела от наблюдения за астрономическими процессами к управлению квантовыми состояниями отдельных атомов. Мы рассказываем, как проходила эта эволюция от первых экспериментов с магнитным резонансом к современным оптическим решеточным часам и началу экспериментов с ядерным переходом. Объясняем, каким образом используются сверхточные часы в навигации, геодезии, поисках темной материи и проверках фундаментальных законов физики.

Человеку время кажется совершенно естественным понятием. Сутки определяются вращением Земли, год — ее обращением вокруг Солнца. Именно эти процессы долго служили основой для измерения времени. Но уже в ХХ веке для точной науки и техники этого оказалось недостаточно. Земля вращается, как выяснилось, не идеально равномерно, а значит, ее движение нельзя использовать как абсолютно стабильный маятник.

В середине прошлого века метрология — наука об измерениях — получила более надежный ориентир. Вместо астрономических наблюдений за гигантскими телами ученые обратились к микромиру — атомам. Их энергетические уровни определяются законами квантовой механики, поэтому переход между двумя такими уровнями происходит с исключительно высокой стабильностью. Энергетический переход — это изменение квантового состояния атома, сопровождающееся изменением его энергии. Атомные часы работают именно на этом принципе. Внутри них есть генератор электромагнитного излучения, а атомы служат своеобразным эталоном, с которым он постоянно сверяется. Если частота генератора немного отличается от частоты атомного перехода, система обнаруживает расхождение и корректирует генератор.

В Международной системе единиц основная единица времени — секунда — долгое время рассчитывалась как часть астрономического периода. Сначала это была часть солнечных суток, потом — доля эталонного 1900 года. С 1967 года секунда определяется как интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного квантового состояния атома цезия-133 в покое при 0 К (−273 °C). Сигналы атомных часов используют в навигации и телекоммуникациях, системах синхронизации, а сами часы стали инструментом для экспериментов, где проверяются фундаментальные законы физики.

Атомный эталон

Идея использовать атомы как частотный эталон возникла еще в ХIХ веке: Джеймс Максвелл и Уильям Томсон, более известный как лорд Кельвин, обратили внимание на то, что атомы одного вида обладают одинаковыми внутренними характеристиками. Однако применить это предположение на практике удалось только после появления теории квантовой механики. В 1930-х годах физик Исидор Раби разработал метод молекулярных пучков и магнитного резонанса. Суть его заключалась в воздействии на молекулярный пучок двумя полями — постоянным магнитным и переменным. При этом происходит энергетический резонанс, который фиксируется по изменению числа частиц в определенном состоянии. Этот метод показал, что переходы между квантовыми состояниями атомов можно регистрировать с очень высокой точностью. Физик предложил использовать его для калибровки генераторов. За эти работы Раби получил Нобелевскую премию по физике в 1944 году.

Первые атомные часы появились в конце 1940-х годов. В 1949 году Гарольд Лайонс в Национальном бюро стандартов США создал часы на основе линии поглощения аммиака. Но в силу специфики молекулы аммиака эти часы не были точными: они отставали или убегали на одну секунду за 10 млн секунд. Это было связано с тем, что резонансная линия была широкой, а чем она шире, тем сложнее определить ее центральную частоту. Но эксперимент подтвердил сам принцип работы атомных часов.

Следующий важный шаг был сделан в 1955 году в Национальной физической лаборатории Великобритании. Там создали высокоточные часы на атомах цезия-133. Для них был выбран переход между двумя сверхтонкими уровнями атома цезия. Использование этой частоты в атомных часах стали называть цезиевым стандартом. Он и лег в основу современного определения секунды. В 1967 году Генеральная конференция по мерам и весам закрепила этот эталон. Сегодня такое определение секунды лежит в основе международных шкал атомного времени и всемирного координированного времени (UTC).

Рубидиевая альтернатива

Еще одной разновидностью стали атомные часы на основе рубидия. Работа над ними началась в 1950-е годы и была связана с технологией оптической накачки, которую разработал французский физик Альфред Кастлер. Специалисты американской компании Varian Associates лицензировали метод, в котором атомы парообразного рубидия переводили в другое квантовое состояние с помощью света, а затем считывали этот эффект по изменению прозрачности газа.

В отличие от цезиевых часов пучкового типа, требующих сложных систем вакуума, мощных магнитов и больших габаритов, рубидиевые были компактными, недорогими и могли работать от обычной электросети или батареек.

Ключевая особенность работы рубидиевых часов — использование газовых ячеек. Свет от спектральной лампы или от полупроводникового лазера (в современных моделях) проходит через ячейку, содержащую пары рубидия и буферный газ. Газ частично предохраняет атомы рубидия от столкновения со стенками ячейки и сохраняет тем самым их квантовое состояние. Затем на ячейку воздействуют микроволновым полем от кварцевого генератора. Когда частота микроволнового поля совпадает с частотой перехода рубидия, атомы меняют свое энергетическое состояние, что влияет на прозрачность ячейки для проходящего света. Фотодетектор фиксирует это изменение. Сигнал фотодетектора корректирует частоту кварцевого генератора, привязывая ее к атомному резонансу.

Современные модули с рубидиевыми стандартами весят всего от 100 г до 2 кг, они компактны, так как газовая ячейка занимает мало места. Для их питания достаточно мощности от 3 до 50 Вт в зависимости от размера модели. Прогрев и выход в рабочее состояние занимает минуты в отличие от устройств на цезии, где этот период может растягиваться на несколько часов или даже дней.

К сожалению, у рубидиевых стандартов есть и недостатки. Если в ячейке со временем изменяется давление газа, происходит сдвиг частоты. Интенсивность света лампы из-за ее старения также влияет на энергетический сдвиг атомов рубидия. Поэтому такие часы требуют периодической коррекции от цезиевого или других стандартов, которые более стабильны.

Точное водородное

Развитие атомной хронометрии в Советском Союзе началось на фоне прогресса в квантовой электронике и радиофизике в 1950–1960-е годы. Одним из главных центров этих работ стал Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Также заметную роль в этом процессе сыграли Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Ленинградский электротехнический институт (ЛЭТИ).

Одной из важных советских разработок в этой сфере стали водородные мазеры — устройства для точного измерения времени, в которых микроволновое излучение получают при воздействии на атомы водорода. Их можно представить как микроволновые генераторы, в которых источником чрезвычайно стабильной частоты служит переход атомов водорода между двумя близкими энергетическими состояниями. Частота этого перехода составляет около 1,42 ГГц.

Хотя первый водородный мазер был создан в 1960 году в Гарвардском университете США, советские ученые модернизировали и улучшили эту технологию. Работы начались в 1960-е годы, в 1964 году был создан отечественный стандарт водородной частоты. В 1967 году в Советском Союзе на основе квантово-механических водородных генераторов и высокоточных кварцевых часов был утвержден государственный первичный эталон единицы времени и частоты. Правда, позднее для него стали использовать цезиевый стандарт.

В 1970–1980-е годы появились разработки советских мазеров с высокой кратковременной стабильностью. В них использовались специальные накопительные камеры, в которых атомы могли сохранять нужное состояние достаточно долго. Такие стандарты применялись в космической связи, научных исследованиях и метрологических системах. Их высокая стабильность делала водородные мазеры полезными там, где было важно сравнивать сигналы на коротких интервалах времени.

Атомные часы стали особенно важны при создании отечественной глобальной навигационной спутниковой системы (ГЛОНАСС). Работы над ней начались в 1970-х годах, а спутниковая группировка стала создаваться в следующем десятилетии. На самих космических аппаратах устанавливались устройства на цезии, так как они оказались более простыми и устойчивыми при стартовых перегрузках и в дальнейшей эксплуатации. В новых аппаратах чаще всего используются рубидиевые часы, так как они легче, компактнее и потребляют меньше энергии. А вот водородный стандарт нашел свое применение на Земле: на его основе работают станции системы контроля и управления и узлы формирования национальной шкалы времени. Наземный комплекс с водородными часами позволяет отслеживать работу цезиевых часов на спутниках благодаря своей выдающейся кратковременной стабильности. Тем не менее экспериментальные космические разработки водородных мазеров в СССР и России все же велись и применялись на космическом радиотелескопе «Спектр-Р» и в рамках других отдельных проектов. Однако их сложность, масса, чувствительность к перегрузкам во время запуска аппаратов и большое энергопотребление стали барьерами на пути серийного использования в этой сфере.

Фонтаны и решетки

Современные цезиевые часы используют так называемую фонтанную схему. Сначала атомы цезия охлаждают лазерами до температур порядка нескольких микрокельвинов. При этом они начинают двигаться чрезвычайно медленно. Затем лазерные импульсы направляют облако атомов вверх. Под действием гравитации атомы возвращаются вниз, траектория их движения напоминает струи воды в фонтане. На своем пути вверх и вниз они дважды проходят сквозь микроволновый резонатор. Между двумя взаимодействиями проходит достаточно времени, чтобы система очень точно определила частоту перехода.

Но даже такая система не идеальна. На показания цезиевых часов влияют небольшие эффекты, которые тоже приходится измерять и затем компенсировать. Во-первых, мешает тепловое излучение окружающей среды. Оно немного изменяет энергетические уровни атомов и тем самым смещает частоту перехода. Во-вторых, сами столкновения холодных атомов друг с другом влияют на частоту. Есть еще и так называемый эффект Дика: часы работают не непрерывно, между измерениями есть интервалы подготовки атомов. В эти моменты шум локального генератора не контролируется атомами напрямую и может ухудшать их кратковременную стабильность. Все эти эффекты приходится учитывать. Поэтому современные атомные часы — это не один прибор, а целый комплекс лазеров, микроволновой электроники, вакуумных систем и вычислителей.

Цезиевые часы работают на очень высокой по сравнению с традиционными радиоволнами частоте — около 9 ГГц. Но метрологи нашли еще более привлекательный диапазон — оптический. Частоты видимого и близкого к нему диапазона в несколько десятков тысяч раз выше цезиевого перехода. Такая высокая частота дает более плотную шкалу колебаний. Если представить часы как устройство, которое отмечает каждый цикл волн, то оптические часы делают это значительно чаще. В результате можно повысить стабильность измерений и уменьшить влияние квантового шума — помех из-за неопределенного состояния частиц.

Однако с оптическими часами возникла другая проблема: электронная аппаратура не может напрямую пересчитать сотни терагерц. Решением стала так называемая оптическая частотная гребенка. Ее можно представить как очень точную линейку для световых частот. Она создается фемтосекундным лазером, излучающим сверхкороткие импульсы. В спектре такого лазера появляется множество узких линий, расположенных строго через одинаковые интервалы. Зная одну из этих частот и расстояние между соседними линиями, можно связать оптический сигнал с гораздо более низкими частотами, которые уже можно измерять электроникой. За развитие этой технологии в 2005 году Джон Холл и Теодор Хенш получили Нобелевскую премию по физике.

Следующим шагом стали оптические решеточные часы. В них атомы, например, стронция-87 или иттербия-171 удерживаются в стоячей световой волне. Такая структура напоминает набор микроскопических ячеек, в которых удерживаются холодные атомы. Если при этом выбрать правильную длину волны лазера (физики ее называют магической), его воздействие на два энергетических состояния, между которыми работает переход часов, становится практически одинаковым. Поэтому лазер может удерживать атомы, не внося дополнительного смещения в саму частоту перехода.

Оптическая решетка решает еще и проблему эффекта Доплера: из-за теплового движения атомов частота лазерного излучения в их системе отсчета смещается. В решетке же атомы сильно ограничены в движении, поэтому этот эффект резко уменьшается.

От атомных к ядерным

Оптические часы используют переходы между состояниями электронов. Но у атома есть еще один элемент, который можно задействовать, — ядро. Ядерные переходы обычно требуют гораздо больше энергии, поэтому управлять ими с помощью лазеров очень трудно. Но у изотопа тория-229 существует возбужденное состояние с очень низкой для этого процесса энергией — около 8,4 эВ. Она соответствует ультрафиолетовому диапазону, поэтому такой переход в принципе можно возбуждать лазером.

И тут появляется важное преимущество. Электронная оболочка атома сильно реагирует на внешние электрические и магнитные поля, температуру и другие факторы. А вот ядро в значительной степени защищено от этих воздействий. Поэтому ядерный переход может быть потенциально менее чувствителен к внешним возмущениям.

Долгое время ученые не могли определить точную энергию перехода ядра и напрямую возбудить его лазером. Ситуация изменилась в 2024 году: несколько независимых исследовательских групп сообщили об успешном лазерном возбуждении ядерного перехода тория-229 и наблюдении последующего возвращения в начальное состояние. Это пока не означало, что полноценные ядерные часы были созданы. Скорее, был продемонстрирован ключевой физический принцип, необходимый для их построения. Но уже в 2026 году несколько научных коллективов в разных странах создали рабочие прототипы ядерных часов.

Зачем нужны часы, которые не спешат и не отстают

Сверхточные часы давно перестали быть только устройством для измерения времени. Их точность позволяет замечать слабые изменения окружающей среды. Можно сказать, что в этих случаях часы становятся датчиками.

GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou невозможно представить без точной синхронизации времени. Навигационный приемник в этих системах определяет расстояние до спутника по времени прохождения радиосигнала. При этом из-за различных помех время может быть рассчитано неправильно. Это приводит к неточностям в определении местонахождения объекта. Так, ошибка в 1 наносекунду дает погрешность в 30 см на Земле. Сверхточный ход атомных часов на орбитальных спутниках позволяет наземным приемникам вычислять и компенсировать собственную неточность и обеспечивать правильное позиционирование.

Еще одно необычное применение атомных часов связано с гравитацией. Согласно теории относительности ход часов зависит от гравитационного потенциала. Проще говоря, часы на разных высотах идут с немного разной скоростью: чем ближе к Земле, тем медленнее. Для обычных часов эта разница ничтожно мала, а вот для оптических она становится уже измеримой. Это превращает часы в своеобразный датчик. Сравнивая показания двух сверхточных часов, можно определять разницу гравитационного потенциала и, как следствие, высот. Такой подход называют релятивистской геодезией. В перспективе он может использоваться при наблюдении за изменением земной поверхности.

Физики надеются, что атомные часы помогут зарегистрировать темную материю в космосе. Она невидима, не взаимодействует со светом, но влияет на галактики через гравитацию. Некоторые гипотезы предполагают, что она может вести себя как слабое поле, которое способно немного менять фундаментальные физические параметры. Например, могут возникать крошечные изменения постоянной тонкой структуры или отношения массы электрона и протона. Сравнивая часы, работающие на разных атомах, ученые ищут согласованные изменения их частот. Исследователи допускают, что часы покажут эти изменения и существование темной материи будет доказано экспериментально.

Возможно, развитие атомных часов приведет к очередному переопределению секунды. Как уже говорилось, сейчас она определяется через микроволновый переход в атоме цезия. Это создает необычную ситуацию с точки зрения науки: самые точные современные часы уже работают в оптическом диапазоне, они превосходят цезиевые стандарты по стабильности и точности, но официальное определение секунды остается связанным с цезием. Международное метрологическое сообщество из-за этого ведет дискуссию о возможном новом определении секунды на основе оптического перехода. Работа над критериями и процедурами ведется уже сейчас, официальное принятие нового стандарта намечено на 2030 год.

«В октябре 2026 года в Версале (Франция) состоится Генеральная конференция по мерам и весам, на которой будет рассматриваться этот вопрос. В частности, будет определен единственный кандидат из 10 атомов и ионов, который будет использован для нового определения секунды. Среди наиболее возможных кандидатов рассматриваются атомы стронция и иттербия и их ионы. Процесс переопределения завершится на следующей Генеральной конференции, которая состоится в 2030 году. Ядерные стандарты частоты на тории-229 не входят в число кандидатов на новое определение секунды, поскольку его точность в настоящее время недостаточна, чтобы удовлетворять требованиям, предъявляемым для нового определения. Однако в перспективе ядерный стандарт может стать этим кандидатом», — рассказал Виталий Пальчиков, профессор кафедры физико-технических проблем метрологии Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ «МИФИ».

Еще одно направление — перенос атомных часов за пределы лабораторий. Проект ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) на Международной космической станции стал одним из экспериментов, направленных на сравнение работы часов в космосе и на Земле. В будущем сети оптических часов на спутниках могут использоваться для более точной навигации, синхронизации и научных экспериментов.

Для дальней космической навигации будет особенно важна автономность. Сигнал между Землей и космическим аппаратом распространяется с конечной скоростью, поэтому при больших расстояниях команды с Земли будут приходить с большой задержкой. Точные бортовые часы позволят аппарату самостоятельно измерять интервалы времени и использовать их для навигационных расчетов.

Где находятся атомные часы

Современная мировая хронометрия построена на принципе распределенной сети, поэтому нельзя сказать, что атомные часы находятся где-то в определенном помещении или здании. Сотни атомных часов разбросаны по всему земному шару, и их показания объединяются для формирования Международного атомного времени и всемирного координированного времени.

В первую очередь это национальные метрологические институты. Они выполняют роль хранителей времени для своих стран. Именно они вносят свой вклад в формирование шкалы UTC. Чаще всего там используются комбинированные стандарты: цезиевые фонтаны для абсолютной точности и калибровки и водородные мазеры для кратковременной стабильности.

Атомные часы есть в научных центрах: в Парижской обсерватории, Федеральном физико-техническом институте в Германии, ВНИИФТРИ в России, Национальном институте информационных и коммуникационных технологий в Японии, Национальном институте метрологии в Китае и др. Во многих из них разрабатываются или уже используются оптические решеточные часы на стронции или иттербии. Например, в итальянском Турине есть стронциевые оптические часы, которые можно транспортировать и использовать для релятивистской геодезии. А Япония лидирует в проекте создания космических оптических часов для связи с наземными станциями.

Кстати, на спутниках вокруг Земли вращаются несколько сотен компактных атомных часов. На Земле обсерватории по всему миру — в США, России, Европе — используют для радиоастрономических исследований в основном водородные мазеры. Там критически важна не столько абсолютная точность, сколько феноменальная кратковременная стабильность частоты сигнала.

Базовые станции мобильной связи (особенно 5G), узлы интернет-трафика, трейдинговые центры применяют для точной синхронизации времени коммерческие рубидиевые стандарты или миниатюрные атомные чип-часы на цезии или рубидии.

Работы над прототипами ядерных часов на основе тория-229 ведутся международными научными группами, в том числе в России, Германии, США, Китае и Австрии.