В продолжение недавнего материала отвечаем на вопрос, что же такое атомные часы.

Атомные часы — это устройства для измерения времени с исключительно высокой точностью, основанные на квантовых переходах электронов в атомах (обычно цезия или рубидия). Их принцип работы заключается в том, что частота излучения, поглощаемого или испускаемого атомом при переходе между энергетическими уровнями, является эталонной — она не меняется со временем и не зависит от внешних условий.

Идея использовать колебания электромагнитного излучения для измерения времени появилась в 1940-х годах. Впервые ее предложили американские физики Исидор Раби и Норман Рамзей. Раби разработал метод магнитного резонанса, который позволил измерять частоту атомных переходов, а Рамзей сделал его практичным для измерения земного времене, за что получил Нобелевскую премию по физике. Первая экспериментальная модель была построена в 1949 году в Национальном бюро стандартов США. В них в качестве источника колебаний, в отличие от маятниковых и кварцевых часов, использовались сигналы, производимые электроном при его переходах с одного квантового уровня атома на другой. Но эти первые часы не получили широкого распространения, так как не отличались точностью, были громоздки и дороги.

Только в 1955 году британским физиком Льюисом Эссеном были созданы атомные часы, в которых использовалась частота колебаний при квантовых переходах электрона в ядре атома цезия. Они были установлены в Национальной физической лаборатории Великобритании. Погрешность хода этих часов составляет отклонение в 1 секунду примерно за 3 млн.лет. Подобная точность послужила причиной того, в 1967 году было принято решение перейти на атомный эталон времени. Это очень облегчило работу хранителей времени и астрономов, которая сталкивалась с целым рядом затруднений из-за того, что вращение Земли замедляется с непостоянной скоростью (примерно 2 миллисекунды за 100 лет) и колебания длительности суток составляют тысячные доли секунды.

Чарльз Таунс — американский физик, лауреат Нобелевской премии 1964 года (совместно с Николаем Басовым и Александром Прохоровым) за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию мазера и лазера. Именно мазер, изобретённый Таунсом в 1954 году, стал прямым предшественником атомных часов.

В атомных часах используется тот же принцип, что и в мазере: стабильная частота квантового перехода атомов используется для «подстройки» кварцевого генератора. По сути, мазер — это устройство, генерирующее когерентное излучение на атомном переходе, и его частота может служить сверхточным референсом для измерения времени. Без работ Таунса и его последователей создание современных цезиевых атомных часов (таких, как NIST-F1) было бы невозможным. Таким образом, Таунс — один из научных отцов-основателей технологий, лежащих в основе атомных часов.

На фото: 5 июня 1955 года Чарльз Х. Таунс, на тот момент - профессор Колумбийского университета, показывает Марианне Макдональд, чем атомные часы отличаются от обычных электрических часов. «Мазер» способен точно разделить секунду на 24 миллиарда частей.

Чарльз Х. Таунс и атомные часы