Глава шестая. Хранение и передача точного времена

Маятниковые и кварцевые астрономические часы

Получением моментов времени решается только первая задача службы времени. Следующей задачей является хранение точного времени в промежутках между астрономическими его определениями. Эта задача решается с помощью астрономических часов.

Для получения большой точности отсчета времени при изготовлении астрономических часов по возможности учитываются и устраняются все источники погрешности, а для их работы создаются наиболее благоприятные условия.

В часах самой существенной их частью является маятник. Пружины и колесики служат передаточным механизмом, стрелки - указывающим, а отмеряет время маятник. Поэтому в астрономических часах стараются создать возможно лучшие условия для его работы: сделать постоянной температуру помещения, устранить толчки, ослабить сопротивление воздуха и, наконец, сделать возможно меньшей механическую нагрузку.

Для обеспечения высокой точности астрономические часы помещаются в глубокий подвал, защищенный от сотрясений, В помещении круглый год поддерживается постоянная температура. Для уменьшения сопротивления воздуха и устранения влияния изменений атмосферного давления маятник часов помещается в кожух, в котором несколько понижено давление воздуха (рис. 20).

Рис. 20. Астрономические маятниковые часы

Весьма высокой точностью обладают астрономические часы с двумя маятниками (часы Шорта), из которых один - несвободный, или "рабский",- связан с передаточными и указывающими механизмами, а сам управляется другим - свободным маятником, не связанным ни с какими колесами и пружинами (рис. 21).

Рис. 21. Астрономические часы с двумя маятниками

Свободный маятник помещается в глубоком подвале в металлическом футляре. В этом футляре создается пониженное давление. Связь свободного маятника с несвободным осуществляется через два небольших электромагнита, вблизи которых он качается. Свободный маятник управляет "рабским" маятником, заставляя его качаться в такт с собой.

Можно добиться очень малой погрешности показаний часов, но нельзя ее устранить полностью. Впрочем, если часы идут неверно, но заранее известно, что они спешат или отстают на определенное число секунд в сутки, то не представляет большого труда по таким неправильным часам вычислить точное время. Для этого достаточно знать, каков ход часов, т. е. на сколько секунд в сутки они спешат или отстают. В течение месяцев и лет для данного экземпляра астрономических часов составляются поправочные таблицы. Стрелки астрономических часов почти никогда не показывают время точно, но с помощью поправочных таблиц вполне удается получать отметки времени с точностью в тысячные доли секунды.

К сожалению, ход часов не остается постоянным. При изменении внешних условий - температуры помещения и давления воздуха,- вследствие всегда имеющейся неточности изготовления деталей и срабатывания отдельных частей одни и те же часы с течением времени могут менять свой ход. Изменение, или вариация, хода часов является главным показателем качества их работы. Чем меньше вариация хода часов, тем часы лучше.

Таким образом, хорошие астрономические часы могут быть слишком торопливыми и чрезмерно медлительными, могут убегать вперед или отставать даже на Десятые доли секунды в сутки, и все же с их помощью можно надежно хранить время и получать достаточно точные показания, если только характер их поведения постоянен, т. е. мала суточная вариация хода.

В маятниковых астрономических часах Шорта суточная вариация хода составляет 0,001-0,003 сек. Долгое время столь высокая точность оставалась непревзойденной, В пятидесятых годах нашего века инженер Ф. М. Федченко усовершенствовал подвес маятника и улучшил его термокомпенсацию. Это позволило ему сконструировать часы, у которых суточная вариация хода была снижена до 0,0002-0,0003 сек.

В последние годы конструированием астрономических часов занялись уже не механики, а электрики и радиотехники. Ими были изготовлены часы, в которых для отсчета времени взамен колебаний маятника использовались упругие колебания кристалла кварца.

Пластинка, вырезанная соответствующим образом из кристалла кварца, обладает интересными свойствами. Если такую пластинку, называемую пьезокварцем, сжать или изогнуть, то на противоположных ее поверхностях появляются электрические заряды разного знака. Если к противоположным поверхностям пьезокварцевой пластинки подвести переменный электрический ток, то пьезокварц совершает колебания. Чем меньше затухание колебательного устройства, тем постояннее частота колебаний. Пьезокварц обладает в этом отношении исключительно хорошими свойствами, так как затухание его колебаний очень мало. Этим широко пользуются в радиотехнике для поддержания постоянства частоты радиопередатчиков. Это же свойство пьезокварца - высокое постоянство частоты колебаний - позволило построить очень точные астрономические кварцевые часы.

Кварцевые часы (рис. 22) состоят из радиотехнического генератора, стабилизированного пьезокварцем, каскадов деления частоты, синхронного электромотора и циферблата со стрелками-указателями.

Рис. 22. Схема кварцевых часов

Радиотехнический генератор вырабатывает переменный ток высокой частоты, а пьезокварц с большой точностью поддерживает постоянство частоты его колебаний. В каскадах деления частоты производится понижение частоты переменного тока от нескольких сотен тысяч до нескольких сотен колебаний в секунду. Синхронный электромотор, работающий на переменном токе пониженной частоты, вращает стрелки-указатели, замыкает реле, подающие сигналы времени, и т. д.

Скорость вращения синхронного электромотора зависит от частоты переменного тока, которым он питается. Таким образом, в кварцевых часах скорость вращения стрелок-указателей в конечном счете определяется частотой колебаний пьезокварца. Большое постоянство частоты колебаний кварцевой пластинки обеспечивает равномерность хода и высокую точность показаний кварцевых астрономических часов.

В настоящее время изготовляются кварцевые часы различного типа и назначения с суточной вариацией хода, не превышающей сотых и даже тысячных долей секунды.

Первые конструкции кварцевых часов были довольно громоздкими. Ведь собственная частота колебаний кварцевой пластинки относительно высокая и для отсчета секунд и минут нужно снижать ее с помощью ряда каскадов деления частоты. Между тем применявшиеся для этого ламповые радиотехнические устройства занимают много места. В последние десятилетия бурно развилась полупроводниковая радиотехника и на ее основе разработана миниатюрная и микроминиатюрная радиоаппаратура. Это позволило построить малогабаритные переносные кварцевые часы для морской и воздушной навигации, а также для различных экспедиционных работ. Эти переносные кварцевые хронометры по своим размерам и весу не превышают обычные механические хронометры.

Однако если механический морской хронометр второго класса имеет суточную погрешность хода не более ±0,4 сек, а первого класса - не более ±0,2 сек, то современные кварцевые переносные хронометры имеют нестабильность суточного хода ±0,1; ±0,01 и даже ±0,001 сек.

Например, выпускаемый в Швейцарии "Хронотом" имеет размеры 245Х137Х100 мм, а нестабильность его хода за сутки не превышает ±0,02 сек. Стационарный кварцевый хронометр "Изотом" имеет долговременную относительную нестабильность не более 10^-8, т. е. по суточному ходу погрешность около ±0,001 сек.

Однако кварцевые часы не лишены и серьезных недостатков, наличие которых существенно при астрономических измерениях высокой точности. Главные недостатки кварцевых астрономических часов - зависимость частоты колебаний кварца от температуры окружающей среды и "старение кварца", т. е. изменение частоты его колебаний с течением времени. С первым недостатком удалось справиться путем тщательного термостатирования той части часов, в которой расположена кварцевая пластинка. Старение кварца, приводящее к медленному дрейфу хода часов, пока устранить не удалось.

"Молекулярные часы"

Можно ли создать устройство для измерения интервалов времени, имеющее более высокую точность, чем маятниковые и кварцевые астрономические часы?

В поисках подходящих для этого методов ученые обратились к системам, в которых совершаются молекулярные колебания. Такой выбор, конечно, был не случайным и именно он предопределил дальнейшие успехи. "Молекулярные часы" позволили сначала в тысячи, а заем и в сотни тысяч раз увеличить точность измерения времени. Однако путь от молекулы до указателя времени оказался сложным и очень нелегким.

Почему же не удалось повысить точность маятниковых и кварцевых астрономических часов? Чем в отношении измерения времени молекулы оказались лучше маятников и кварцевых пластинок? Каковы принцип действия и устройство молекулярных часов?

Напомним, что любые часы состоят из блока, в котором совершаются периодические колебания, счетного механизма для подсчета их числа и устройства, в котором запасена энергия, необходимая для их поддержания. Однако точность показаний часов в основном зависит от стабильности работы того их элемента, который отмеряет время.

Для увеличения точности маятниковых астрономических часов их маятник делается из специального сплава с минимальным коэффициентом теплового расширения, помещается в термостат, специальным образом подвешивается, располагается в сосуде, из которого выкачан воздух, и т. д. Как известно, все эти мероприятия позволили снизить вариации хода астрономических маятниковых часов до тысячных долей секунды в сутки. Однако постепенный износ движущихся и трущихся деталей, медленные и необратимые изменения конструктивных материалов, в общем - "старение" таких часов не позволило добиться дальнейшего улучшения их точности.

В астрономических кварцевых часах время отмеряет генератор, стабилизированный кварцем, и точность показаний этих часов определяется постоянством частоты колебаний кварцевой пластинки. С течением времени в кварцевой пластинке и связанных с нею электрических контактах происходят необратимые изменения. Таким образом, этот задающий элемент кварцевых часов "стареет". При этом несколько изменяется частота колебаний кварцевой пластинки. Это и является причиной нестабильности таких часов и кладет предел дальнейшему увеличению их точности.

Молекулярные часы устроены так, что их показания, в конечном счете, определяются частотой электромагнитных колебаний, поглощаемых и испускаемых молекулами. Между тем атомы и молекулы поглощают и испускают энергию только прерывисто, только определенными порциями, называемыми квантами энергии. Эти процессы в настоящее время представляются так: когда атом находится в нормальном (невозбужденном) состоянии, то его электроны занимают нижние уровни энергии и при этом находятся на наиболее близком расстоянии от ядра. Если атомы поглощают энергию, например световую, то их электроны перескакивают в новые положения и располагаются несколько дальше от своих ядер.

Обозначим энергию атома, соответствующую самому низкому положению электрона, через Еи а энергию, соответствующую более далекому его расположению от ядра, - через Е₂. Когда атомы, излучая электромагнитные колебания (например, световые), из возбужденного состояния с энергией Е₂ переходят в невозбужденное с энергией Е₁, то испускаемая порция электромагнитной энергии равна ε = E₂-E₁. Легко видеть, что приведенное соотношение есть не что иное, как одно из выражений закона сохранения энергии.

Между тем известно, что энергия кванта света пропорциональна его частоте: ε = hv, где ε-энергия электромагнитных колебаний, v - их частота, h = 6,62*10^-27 эрг*сек - постоянная Планка. Из этих двух соотношений нетрудно найти частоту v света, испускаемого атомом. Очевидно, что v = (Е₂ - E₁)/h сек^-1

Каждый атом данного типа (например, атом водорода, кислорода и т. д.) имеет свои уровни энергии. Поэтому каждый возбужденный атом при переходе в нижние состояния испускает электромагнитные колебания с вполне определенным набором частот, т. е. дает характерное лишь для него свечение. Точно так же дело обстоит v с молекулами, с той лишь разницей, что они имеют еще ряд добавочных уровней энергии, связанных с различным расположением составляющих их частиц и с их взаимным движением,

Таким образом, атомы и молекулы способны поглодать и излучать электромагнитные колебания только пределенной частоты. Стабильность, с которой атомные истемы это делают, чрезвычайно высока. Она в миллиарды раз выше стабильности любых макроскопических устройств, воспринимающих или излучающих те или иные виды колебаний, например, струн, камертонов, микрофонов и т. д. Объясняется это тем, что в любых макроскопических устройствах, например машинах, измерительных приборах и т. д., силы, обеспечивающие их устойчивость, большинстве случаев лишь в десятки или сотни раз больше внешних сил. Поэтому с течением времени и ри изменении внешних условий свойства таких приборов несколько изменяются. Музыкантам именно поэтому и приходится столь часто подстраивать свои скрипки и пианино. Напротив, в микросистемах, например атомах и молекулах, между частицами, их составляющими, действуют столь большие силы, что обычные внешние воздействия по величине намного меньше их. Поэтому обычные изменения внешних условий - температуры, давления и т. д.- не вызывают сколько-нибудь заметных изменений внутри этих микросистем.

Этим и объясняется столь высокая точность спектрального анализа и многих других методов и приборов, основанных на использовании атомных и молекулярных колебаний. Это и делает столь привлекательным использование этих квантовых систем в качестве задающего элемента в астрономических часах. Ведь такие микросистемы с течением времени своих свойств не меняют, т. е. не "стареют".

Когда инженеры занялись конструированием молекулярных часов, то методы возбуждения атомных и молекулярных колебаний уже были хорошо известны. Один из них заключается в том, что к сосуду, заполненному тем или иным газом, подводятся высокочастотные электромагнитные колебания. Если частота этих колебаний соответствует энергии возбуждения данных частиц, то происходит резонансное поглощение электромагнитной энергии. Спустя некоторое время (меньше миллионной доли секунды) возбужденные частицы (атомы и молекулы) самопроизвольно переходят из возбужденного в нормальное состояние и при этом сами излучают кванты электромагнитной энергии.

Казалось бы, что следующий шаг в конструировании таких часов должен заключаться в подсчете числа этих колебаний, ведь подсчитывается же в маятниковых часах число качаний маятника. Однако такой прямой, "лобовой" путь оказался слишком трудным. Дело в том, что частота электромагнитных колебаний, испускаемых молекулами, очень высока. Например, в молекуле аммиака для одного из основных переходов она составляет 23 870 129 000 периодов в секунду. Частота электромагнитных колебаний, испускаемых различными атомами, бывает такого же порядка величины или еще выше. Ни одно механическое устройство для подсчета числа столь высокочастотных колебаний не годится. Более того, обычные электронные устройства тоже оказались для этого непригодными.

Выход из этого затруднения был найден с помощью оригинального обходного маневра. В длинную металлическую трубку (волновод) был помещен аммиачный газ. Для удобства обращения эта трубка свернута в спираль. К одному концу этой трубки подводились от генератора высокочастотные электромагнитные колебания, а в другом ее конце был установлен прибор, измеряющий их интенсивность. Генератор позволял в некоторых пределах менять частоту возбуждаемых им электромагнитных колебаний.

Для перехода молекул аммиака из невозбужденного в возбужденное состояние нужна вполне определенная энергия и соответственно вполне определенная частота электромагнитных колебаний (ε = hv, где ε- энергия кванта, v - частота электромагнитных колебаний, h - постоянная Планка). До тех пор, пока частота электромагнитных колебаний, вырабатываемых генератором, больше или меньше этой резонансной частоты, молекулы аммиака энергии не поглощают. При совпадении этих частот значительное число молекул аммиака поглощает электромагнитную энергию и переходит в возбужденное состояние. Разумеется, при этом (в силу закона сохранения энергии) у того конца волновода, где установлен измерительный прибор, интенсивность электромагнитных колебаний оказывается меньше. Если плавно изменять частоту генератора и записывать показания измерительного прибора, то при резонансной частоте обнаруживается провал интенсивности электромагнитных колебаний.

Следующий шаг в конструировании молекулярных часов как раз и заключается в использовании этого эффекта. Для этого было собрано специальное устройство (рис. 23). В нем генератор высокой частоты, снабженный блоком питания, вырабатывает высокочастотные электромагнитные колебания. Для увеличения постоянства частоты этих колебаний генератор стабилизирован с. помощью пьезокварца. В существующих приборах такого типа частота колебаний генератора высокой частоты выбирается равной нескольким сотням тысяч периодов в секунду в соответствии с собственной частотой колебаний используемых в них кварцевых пластинок.

Рис. 23. Схема 'молекулярных часов'

Так как эта частота слишком высока для того, чтобы непосредственно управлять каким-либо механическим устройством, то с помощью блока деления частоты она понижается до нескольких сотен колебании в секунду и лишь после этого подается на сигнальные реле и синхронный электромотор, вращающий стрелки-указатели, расположенные на циферблате часов. Таким образом, эта часть молекулярных часов повторяет схему описанных ранее кварцевых часов.

Для того чтобы возбудить молекулы аммиака, часть электромагнитных колебаний, вырабатываемых генератором высокой частоты, подается на умножитель частоты переменного тока (см. рис. 23). Коэффициент умножения частоты в нем выбран так, чтобы довести ее до резонансной. С выхода умножителя частоты электромагнитные колебания поступают на волновод с аммиачным газом. Прибор, стоящий на выходе волновода,- дискриминатор,- отмечает интенсивность прошедших через волновод электромагнитных колебаний и воздействует на генератор высокой частоты, изменяя частоту возбуждаемых им колебаний. Дискриминатор устроен так, что когда на вход волновода поступают колебания с частотой ниже резонансной, то он подстраивает генератор, увеличивая частоту его колебаний. Если же на вход волновода поступают колебания с частотой выше резонансной, то он снижает частоту генератора. При этом настройка в резонанс получается тем более точной, чем круче идет кривая поглощения. Таким образом, желательно, чтобы провал интенсивности электромагнитных колебаний, обязанный резонансному поглощению их энергии молекулами, был возможно более узким и глубоким.

Все эти связанные между собой приборы - генератор, умножитель, волновод с аммиачным газом и дискриминатор- представляют собой цепь обратной связи, в которой молекулы аммиака возбуждаются генератором и в то же время управляют им, заставляя его вырабатывать колебания нужной частоты. Таким образом, в конечном счете в молекулярных часах в качестве стандарта частоты и времени используются молекулы аммиака. В первых молекулярных аммиачных часах, разработанных по этому принципу Г. Лионсом в 1953 г., нестабильность хода составляла около 10^-7, т. е. изменение частоты не превышало десятимиллионной доли. В дальнейшем нестабильность была снижена до 10^-8, что соответствует ошибке в измерении интервалов времени на 1 сек за несколько лет.

В общем, это, конечно, прекрасная точность. Однако оказалось, что в построенном приборе кривая поглощения электромагнитной энергии получилась далеко не столь резкой, как предполагалось, а несколько "размазанной". Соответственно этому и точность всего устройства получилась значительно ниже ожидавшейся. Проведенные в последующие годы тщательные исследования этих молекулярных часов позволили выяснить, что их показания в некоторой мере зависят от конструкции волновода, а также от температуры и давления находящегося в нем газа. Было установлено, что именно эти эффекты являются источниками нестабильности работы таких часов и ограничивают их точность.

В дальнейшем эти дефекты молекулярных часов полностью устранить так и не удалось. Однако удалось придумать другие, более совершенные типы квантовых измерителей времени.

Атомные цезиевые часы

Дальнейшего усовершенствования стандартов частоты и времени удалось достигнуть на основе ясного понимания причин недостатков аммиачных молекулярных часов. Напомним, что основными недостатками аммиачных молекулярных часов являются некоторая "размазанность" резонансной кривой поглощения и зависимость оказаний этих часов от температуры и давления газа в волноводе.

Каковы же причины этих дефектов? Можно ли их устранить? Оказалось, что размазывание резонанса происходит в результате теплового движения частиц газа, заполняющих волновод. Ведь некоторые из газовых частиц движутся навстречу электромагнитной волне и поэтому для них частота колебаний несколько выше той, которую дает генератор. Другие газовые частицы, напротив, движутся от приходящей электромагнитной волны, как бы убегают от нее; для них частота электромагнитных колебаний несколько ниже номинальной. Лишь для относительно очень небольшого числа неподвижных газовых частиц воспринимаемая ими частота электромагнитных колебаний равна номинальной, т.е. даваемой генератором.

Описанное явление представляет собой хорошо известный продольный эффект Допплера. Именно он и приводит к тому, что резонансная кривая уплощается и размазывается и обнаруживается зависимость силы тока на выходе волновода от скорости движения газовых частиц, т.е. от температуры газа.

Группе ученых из Американского бюро стандартов удалось справиться с этими трудностями. Однако то, что они сделали, в общем оказалось новым и значительно более точным стандартом частоты и времени, хотя при этом были использованы некоторые уже известные вещи.

В этом приборе используются уже не молекулы, а атомы. Эти атомы не просто заполняют сосуд, а движутся пучком. Причем так, что направление их движения перпендикулярно к направлению распространения электромагнитной волны. Легко понять, что в этом случае продольный эффект Допплера отсутствует. В приборе использованы атомы цезия, возбуждение которых происходит при частоте электромагнитных колебаний, равной 9 192 631 831 периодов в секунду.

Соответствующий прибор смонтирован в трубке, в одном конце который расположена электрическая печь 1, разогревающая металлический цезий вплоть до испарения, а в другом - детектор 6, сосчитывающий число долетевших до него атомов цезия (рис. 24). Между ними находятся: первый магнит 2, волновод 3, подводящий высокочастотные электромагнитные колебания, коллиматор 4 и второй магнит 5. Когда печь включена, то пары металла через щель врываются в трубку и узкий пучок атомов цезия летит вдоль ее оси, подвергаясь по пути воздействию магнитных полей, созданных постоянными магнитами, и высокочастотного электромагнитного поля, подведенного с помощью волновода от генератора к трубке так, что направление распространения волн перпендикулярно к направлению пролета частиц.

Рис. 24. Схема атомно-лучевого цезиевого генератора. 1 - источник, 2 и 5 - магниты, 3 - волновод, 4 - коллиматор, 6 - детектор

Такое устройство позволяет решить первую часть задачи: возбудить атомы, т. е. перевести их из одного состояния в другое, и в то же время избегнуть продольного эффекта Допплера. Если бы исследователи ограничились только этим усовершенствованием, то точность прибора хотя и увеличилась бы, но не намного. Ведь в пучке атомов, вылетающих из накаленного источника, всегда есть невозбужденные и возбужденные атомы. Таким образом, когда вылетевшие из источника атомы пролетают сквозь электромагнитное поле и возбуждаются, то к уже имеющимся возбужденным атомам добавляется еще некоторое число возбужденных. Поэтому изменение числа возбужденных атомов получается относительно не очень большим и, следовательно, эффект от действия электромагнитных волн на пучок частиц оказывается не очень резким. Понятно, что если бы вначале возбужденных атомов не было совсем, а потом они появились, то общий эффект был бы намного более контрастным.

Итак, возникает дополнительная задача: на участке от источника до электромагнитного поля пропустить атомы, находящиеся в нормальном состоянии, и изъять возбужденные. Для ее решения ничего нового изобретать не пришлось, так как еще в сороковые годы нашего века Рабби, а затем Рамзеем соответствующие методы были разработаны для спектроскопических исследований. Эти методы основаны на том, что все атомы и молекулы имеют определенные электрические и магнитные свойства и эти свойства оказываются различными у возбужденных и невозбужденных частиц. Поэтому в электрическом и магнитном полях возбужденные и невозбужденные атомы и молекулы отклоняются по-разному.

В описываемых атомных цезиевых часах на пути пучка частиц между источником и высокочастотным электромагнитным полем постоянный магнит 2 (см. рис. 24) был установлен так, что невозбужденные частицы фокусировались на щель коллиматора, а возбужденные выводились из пучка. Второй магнит 5, стоящий между высокочастотным электромагнитным полем и детектором, напротив, был установлен так, что из пучка выводились невозбужденные частицы, а на детекторе фокусировались только возбужденные. Такая двойная сепарация приводит к тому, что детектора достигают лишь те частицы, которые до вхождения в электромагнитное поле были невозбужденными, а затем в этом поле перешли в возбужденное состояние. При этом зависимость показаний детектора от частоты электромагнитных колебаний оказывается очень резкой и соответственно резонансная кривая поглощения электромагнитной энергии получается очень узкой и крутой.

В результате описанных мероприятий задающий блок атомных цезиевых часов оказался способным реагировать даже на очень малую расстройку генератора высокой частоты, и таким образом была достигнута очень высокая точность стабилизации.

Остальная часть прибора, в общем, повторяет принципиальную схему молекулярных часов: генератор высокой частоты управляет электрическими часами и одновременно через цепи умножения частоты возбуждает частицы. Дискриминатор, связанный с цезиевой трубкой и высокочастотным генератором, реагирует на работу трубки и подстраивает генератор так, чтобы частота вырабатываемых им колебаний совпадала с частотой, при которой происходит возбуждение частиц.

Все это устройство в целом носит название атомных цезиевых часов.

В первых моделях цезиевых часов (например, цезиевых часах Национальной физической лаборатории Англии) нестабильность составляла лишь 1^-9. В приборах такого типа, разработанных и построенных в последние годы, нестабильность удалось снизить до 10^-12-10^-13.

Ранее уже говорилось о том, что даже лучшие механические астрономические часы вследствие износа их деталей с течением времени несколько меняют свой ход. Даже кварцевые астрономические часы не лишены этого недостатка, так как из-за старения кварца имеет место медленный дрейф их показаний. В цезиевых атомных часах дрейф частоты не обнаружен.

При сравнении различных экземпляров этих часов между собой наблюдалось совпадение частоты их колебаний в пределах ±3*10^-12, что соответствует ошибке лишь в 1 секунду за 10 000 лет.

Однако и это устройство не лишено недостатков: искажения формы электромагнитного поля и относительная кратковременность его воздействия на атомы пучка ограничивают дальнейшее увеличение точности измерения интервалов времени с помощью таких систем.

Астрономические часы с квантовым генератором

Еще один шаг в отношении увеличения точности измерения интервалов времени был сделан с помощью молекулярных генераторов - приборов, в которых используется излучение молекулами электромагнитных волн.

Это открытие было неожиданным и закономерным. Неожиданным - потому, что казалось, что возможности старых методов исчерпаны, а других нет. Закономерным - потому, что ряд известных эффектов уже составлял почти все части нового метода и оставалось только должным образом эти части скомбинировать. Впрочем, новая комбинация известных вещей составляет суть многих открытий. Всегда нужна большая смелость мышления для того, чтобы ее придумать. Довольно часто после того, как это сделано, все кажется очень простым.

Приборы, в которых для получения стандарта частоты используется излучение молекул, получили название мазеров; это слово образовано из начальных букв выражения: microwave amplification by stimulated emission of radiation, т. е усиление радиоволн сантиметрового диапазона с помощью индуцированного излучения. В настоящее время приборы такого типа чаще всего называют квантовыми усилителями или квантовыми генераторами.

Что подготовило открытие квантового генератора? Каковы его принцип действия и устройство?

Исследователям было известно, что когда возбужденные молекулы, например молекулы аммиака, переходят на более низкие уровни энергии и испускают электромагнитное излучение, то естественная ширина этих линий испускания чрезвычайно мала, во всяком случае во много раз меньше ширины линии поглощения, используемой в молекулярных часах. Между тем при сравнении частоты двух колебаний от ширины спектральных линий зависит острота резонансной кривой, а от остроты резонансной кривой - достижимая точность стабилизации.

Понятно, что исследователей чрезвычайно заинтересовала возможность добиться более высокой точности измерения интервалов времени при использовании не Только поглощения, но и излучения молекулами электромагнитных волн. Казалось бы, что для этого уже все есть. Ведь в волноводе молекулярных часов возбужденные молекулы аммиака самопроизвольно высвечиваются, т. е. переходят на более низкие уровни энергии и при этом испускают электромагнитное излучение с частотой 23 870 129 000 периодов в секунду. Ширина этой спектральной линии испускания действительно очень мала. Кроме того, так как волновод молекулярных часов заполнен электромагнитными колебаниями, подводимыми от генератора, и частота этих колебаний равна частоте квантов энергии, испускаемых молекулами аммиака, то в волноводе происходит индуцированное излучение возбужденных молекул аммиака, вероятность которого намного больше, чем самопроизвольного. Таким образом, этот процесс увеличивает общее число актов излучения.

Тем не менее для наблюдения и использования молекулярного излучения система типа волновода молекулярных часов оказалась полностью непригодной. Ведь в таком волноводе невозбужденных частиц аммиака намного больше, чем возбужденных, и даже с учетом индуцированного излучения акты поглощения электромагнитной энергии происходят значительно чаще, чем акты испускания. К тому же неясно, как в таком волноводе выделить кванты энергии, излученные молекулами, когда тот же объем заполнен электромагнитным излучением от генератора, причем это излучение имеет ту же частоту и значительно большую интенсивность.

Не правда ли, все процессы оказываются настолько перемешанными, что на первый взгляд выделить из них нужный представляется невозможным? Однако это не так. Ведь известно, что по своим электрическим и магнитным свойствам возбужденные молекулы отличаются от невозбужденных, а это дает возможность их разделения.

В 1954-1955 гг. эта задача была блестяще решена Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в СССР и Гордоном, Цайгером и Таунсом в США^*. Эти авторы воспользовались тем, что электрическое состояние возбужденных и невозбужденных молекул аммиака несколько различно и, пролетая через неоднородное электрическое поле, они отклоняются по-разному.

^* (Дж. Зингер, Мазеры, ИЛ, М., 1961; Басов Н. Г., Летохов В. С, Оптические стандарты частоты, УФН, т. 96, вып. 4, 1968. )

Напомним, что между двумя электрически заряженными параллельными пластинками, например обкладками конденсатора, создается однородное электрическое поле; между заряженными пластинкой и острием или двумя заряженными остриями - неоднородное. Если изображают электрические поля с помощью силовых линий, то однородные поля представляются линиями одинаковой густоты, а неоднородные - линиями густоты неодинаковой, например, меньшей у плоскости и большей у острия, где линии сходятся. Способы получения неоднородных электрических полей той или иной формы давно известны.

Молекулярный генератор представляет собой комбинацию из источника молекул, электрического сепаратора и резонатора, собранных в трубке, из которой выкачай воздух. Для глубокого охлаждения эта трубка помещена в жидкий азот. Этим достигается высокая стабильность работы всего устройства. Источником частиц в молекулярном генераторе служит баллон с узким отверстием, заполненный аммиачным газом. Через это отверстие узкий пучок частиц с определенной скоростью поступает в трубку (рис. 25, а).

В пучке всегда есть невозбужденные и возбужденные молекулы аммиака. Однако обычно невозбужденных намного больше, чем возбужденных. В трубке на пути этих частиц расположен заряженный электричеством конденсатор, состоящий из четырех стержней,- так называемый квадрупольный конденсатор. В нем электрическое поле неоднородное, причем имеет такую форму (рис. 25, б), что, проходя через него, невозбужденные молекулы аммиака рассеиваются в стороны, а возбужденные отклоняются к оси трубки и таким образом фокусируются. Поэтому в таком конденсаторе происходит сепарация частиц и другого конца трубки достигают лишь возбужденные молекулы аммиака.

Рис. 25. а) Схема квантового генератора на пучке молекул аммиака, б) Поперечное сечение фокусирующей системы и схематическое изображение электрического поля

В этом другом конце трубки расположен сосуд определенных размеров и формы -так называемый резонатор. Попав в него, возбужденные молекулы аммиака через некоторый короткий промежуток времени самопроизвольно переходят из возбужденного состояния в невозбужденное и при этом испускают электромагнитные волны определенной частоты. Про этот процесс говорят, что молекулы высвечиваются. Таким образом удается не только получить молекулярное излучение, но и выделить его.

Рассмотрим дальнейшее развитие этих идей. Электромагнитное излучение резонансной частоты, взаимодействуя с невозбужденными молекулами, переводит их з возбужденное состояние. То же излучение, взаимодействуя с возбужденными молекулами, переводит их в невозбужденное состояние, стимулируя таким образом их излучение. В зависимости от того, каких молекул больше, невозбужденных или возбужденных, преобладает процесс поглощения или индуцированного испускания электромагнитной энергии.

Создав в некотором объеме, например резонаторе, существенное преобладание возбужденных молекул аммиака и подводя к нему электромагнитные колебания резонансной частоты, можно осуществить усиление сверхвысокой частоты. Понятно, что это усиление происходит за счет непрерывной подкачки в резонатор возбужденных молекул аммиака.

Роль резонатора не ограничивается лишь тем, что он является сосудом, в котором происходит высвечивание возбужденных молекул. Так как электромагнитное излучение резонансной частоты стимулирует излучение возбужденных молекул, то чем больше плотность этого излучения, тем активнее идет этот процесс индуцированного излучения.

Выбрав размеры резонатора в соответствии с длиной волны данных электромагнитных колебаний, можно таким образом создать в нем условия для возникновения стоячих волн (аналогично выбору размеров органных труб для возникновения в них стоячих волн соответствующих упругих звуковых колебаний). Изготовив стенки резонатора из соответствующего материала, можно добиться того, чтобы они отражали электромагнитные колебания с наименьшими потерями. Оба эти мероприятия позволяют создать в резонаторе высокую плотность электромагнитной энергии и таким образом увеличить коэффициент полезного действия всего устройства в целом.

При прочих равных условиях усиление в этом устройстве оказывается тем больше, чем выше плотность потока возбужденных молекул. Замечательно, что при некоторой достаточно высокой плотности потока возбужденных молекул и подходящих параметрах резонатора интенсивность излучения молекул становится достаточно большой для того, чтобы перекрыть различные потери энергии, и усилитель превращается в молекулярный генератор сверхвысокочастотных колебаний - так называемый квантовый генератор. При этом подводить к резонатору электромагнитную энергию высокой частоты уже нет необходимости. Процесс индуцированного испускания одних возбужденных частиц поддерживается за счет излучения других. Более того, при подходящих условиях процесс генерации электромагнитной энергии не обрывается и в том случае, когда некоторая ее часть отводится в сторону.

Квантовый генератор с очень большой стабильностью Дает высокочастотные электромагнитные колебания строго определенной частоты и может быть использован для измерения интервалов времени. При этом нет необходимости в том, чтобы он работал непрерывно. Достаточно Периодически через определенные промежутки времени сравнивать частоту электрического генератора астрономических часов с этим молекулярным стандартом частоты и в случае необходимости вводить коррекцию.

Астрономические часы с коррекцией по молекулярному аммиачному генератору были построены в конце пятидесятых годов. Их кратковременная нестабильность не превышала 10^-12 за 1 минуту, а нестабильность долговременная была около 10^-10, что соответствует искажениям в отсчете интервалов времени лишь на 1 сек за несколько сот лет.

Дальнейшее улучшение стандартов частоты и времени было достигнуто на основе этих же идей и использования в качестве рабочего тела некоторых других частиц, например таллия и водорода. При этом особенно перспективным оказался квантовый генератор, работающий на пучке атомов водорода, разработанный и построенный в начале шестидесятых годов Гольденбергом, Клепнером и Рамзеем. Этот генератор также состоит из источника частиц, сепаратора и резонатора, смонтированных в трубке (рис. 26), погруженной в соответствующий хладоагент. Источник испускает пучок атомов водорода. В этом пучке имеются невозбужденные и возбужденные атомы водорода, причем невозбужденных значительно больше, чем возбужденных.

Рис. 26. Схема водородного квантового генератора. 1 - баллон с водородом, 2 - сепаратор частиц, 3 - отверстие для откачки, 4 - резонатор, 5 - волновод

Так как возбужденные атомы водорода отличаются от невозбужденных своим магнитным состоянием (магнитным моментом), то для их сепарации используется уже не электрическое, а магнитное поле, создаваемое парой магнитов. Существенными особенностями обладает и резонатор водородного генератора. Он выполнен в виде колбы из плавленого кварца, внутренние стенки которой покрыты парафином. Благодаря многократным (около 10 000) упругим отражениям атомов водорода от слоя парафина длина пролета частиц и соответственно время их пребывания в резонаторе, по сравнению с молекулярным генератором, увеличивается в тысячи раз. Таким образом удается получить очень узкие спектральные линии излучения атомов водорода и по сравнению с молекулярным генератором снизить нестабильность всего устройства в тысячи раз.

Современные конструкции астрономических часов с водородным квантовым генератором по своим показателям превзошли цезиевый атомно-лучевой стандарт. Систематический дрейф у них не обнаружен. Их кратковременная нестабильность составляет лишь 6*10^-14 в минуту, а долговременная - 2*10^-14 за сутки, что в десять раз меньше, чем у цезиевого стандарта. Воспроизводимость показаний часов с водородным квантовым генератором равна ±5*10^-13, в то время как у цезиевого стандарта воспроизводимость равняется ±3*10^-12. Следовательно, и по этому показателю водородный генератор приблизительно в десять раз лучше. Таким образом, с помощью водородных астрономических часов можно обеспечить точность измерения времени порядка 1 сек за интервал около сотни тысяч лет.

Между тем ряд исследований последних лет показали, что эта столь высокая точность измерения интервалов времени, достигнутая на основе атомно-лучевых генераторов, еще не является предельной и может быть повышена.

Передача точного времени

Получением и хранением точного времени задача службы времени не ограничивается. Не менее важной ее частью является такая организация передачи точного времени, при которой эта точность не была бы утрачена.

В старину передача сигналов времени производилась с помощью механических, звуковых или световых устройств. В Петербурге ровно в полдень стреляла пушка; можно было также сверить свои часы по башенным часам Института метрологии, ныне носящего имя Д. И. Менделеева. В морских портах в качестве сигнала времени употреблялся падающий шар. С кораблей, стоящих в порту, можно было видеть, как ровно в полдень шар срывался с вершины специальной мачты и падал к ее подножию.

Для нормального хода современной интенсивной жизни очень важную задачу представляет обеспечение точным временем железных дорог, почты, телеграфа и больших городов. Здесь не требуется столь высокая точность, как при астрономических и географических работах, но необходимо, чтобы с точностью до минуты во всех частях города, во всех концах нашей огромной страны все часы показывали время одинаково. Эта задача обычно решается с помощью электрических часов.

В часовом хозяйстве железных дорог и учреждений связи, в часовом хозяйстве современного города электрические часы играют большую роль. Устройство их очень простое, и тем не менее с точностью до одной минуты во всех пунктах города они показывают одинаковое время.

Электрические часы бывают первичные и вторичные. Первичные электрические часы имеют маятник, колеса, спуск и являются настоящими измерителями времени. Вторичные электрические часы являются лишь указателями: часового механизма в них нет, а имеется лишь сравнительно простое устройство, передвигающее стрелки раз в минуту (рис. 27). При каждом размыкании тока электромагнит отпускает якорь и прикрепленная к якорю "собачка", упираясь в храповое колесо, поворачивает его на один зуб. Сигналы электрического тока подаются на вторичные часы либо от центральной установки, либо от первичных электрических часов. В последние годы появились говорящие часы, сконструированные по принципу звукового кино, которые не только показывают, но и сообщают время.

Рис. 27. Механизм вторичных электрических часов

Для передачи точного времени ныне служат, главным образом, электрические сигналы, посылаемые с помощью телефона, телеграфа и радио. В течение последних десятилетий техника их передачи совершенствовалась, а точность соответственно возрастала. В 1904 г. Бигурдан передал ритмические сигналы времени с Парижской обсерватории, которые были приняты обсерваторией Монсури с точностью 0,02-0,03 сек. В 1905 г. регулярную передачу сигналов времени начала Вашингтонская морская обсерватория, с 1908 г. стали передавать ритмические сигналы времени с Эйфелевой башни, а с 1912 г. и с Гринвичской обсерватории.

В настоящее время передача сигналов точного времени ведется во многих странах. В СССР такие Передачи ведет Государственный астрономический институт им. П. К. Штернберга, а также ряд других организаций. При этом для передачи по радио показаний среднего солнечного времени используется целый ряд различных программ. Например, широковещательная программа сигналов времени передается в конце каждого часа и состоит из шести коротких импульсов. Начало последнего из них соответствует времени того или иного часа и 00 мин 00 сек. В морской и воздушной навигации применяется программа из пяти серий по 60 импульсов и трех серий по шесть коротких сигналов, разделенных более длинными сигналами. Кроме того, есть еще ряд специальных программ сигналов времени. Сведения о различных специальных программах сигналов точного времени публикуются в специальных изданиях.

Погрешность передачи сигналов времени по широковещательным программам составляет около ±0,01 - 0,001 сек, а по некоторым специальным ±10^-4 и даже ±10^-5 сек. Таким образом, в настоящее время разработаны методы и приборы, которые позволяют получать, хранить и передавать время с весьма высокой степенью точности.

В последнее время в области хранения и передачи точного времени были реализованы существенно новые идеи. Предположим, что нужно, чтобы в ряде пунктов какой-либо территории точность показаний стоящих там часов была не хуже ±30 сек, при условии непрерывной работы всех этих часов в течение года. Такие требования предъявляются, например, к городским и железнодорожным часам. Требования не очень жесткие, однако для того, чтобы их выполнить с помощью автономных часов, нужно, чтобы суточный ход каждого экземпляра часов был лучше ±0,1 сек, а для этого требуются прецизионные кварцевые хронометры.

Между тем, если для решения этой задачи используется система единого времени, состоящая из первичных часов и большого числа связанных с ними вторичных часов, то высокой точностью должны обладать лишь первичные. Следовательно, даже при повышенных затратах на первичные часы и соответственно малых на вторичные можно во всей системе обеспечить хорошую точность при относительно небольшой общей стоимости.

Конечно, при этом нужно сделать так, чтобы вторичные часы сами не вносили ошибки. Описанные ранее вторичные часы с храповым колесом и собачкой, в которых по сигналу раз в минуту передвигается стрелка, иногда дают сбои. Причем с течением времени ошибка их показаний накапливается. В современных вторичных часах применяется различного рода проверка и коррекция показаний. Еще большую точность обеспечивают вторичные часы, в которых используется переменный ток промышленной частоты (50 гц), частота которого строго стабилизирована. Основной частью этих часов является синхронный электродвигатель, приводимый в движение переменным током. Таким образом, в этих часах сам переменный ток является непрерывным сигналом времени с периодом повторения 0,02 сек.

В настоящее время создана Всемирная система единого времени ВОЗАК (WOSAC; название составлено из первых букв слов: World-wide Sinchronisation of Atomic Clocks). Главные первичные часы этой системы расположены в г. Риме, штат Нью-Йорк, США, и состоят из трех атомихронов (атомных цезиевых часов), показания которых усредняются. Таким образом обеспечивается точность отсчета времени, равная (1-3)*10^-11. Эти первичные часы связаны с всемирной сетью вторичных часов.

Проверка показала, что при передаче сигналов точного времени по ВОЗАК от штата Нью-Йорк (США) до острова Оаху (Гавайские острова), т. е. приблизительно на 30 000 км, согласование показаний времени обеспечивалось с точностью до 3 микросекунд.

Высокая точность хранения и передачи меток времени, достигнутая в наши дни, позволяет решать сложные и новые вопросы дальней космической навигации, а также хотя и старые, но по-прежнему важные и интересные вопросы о движении земной коры.

Куда же плывут материки?

Теперь мы можем вернуться к задаче о движении материков, описанной в предыдущей главе. Это тем более интересно, что за полвека, прошедшие со времени появления работ Вегенера до нашего времени, научные споры вокруг этих идей еще не утихли. Например, У. Манк и Г. Макдональд в 1960 г. писали: "Некоторые данные Вегенера неоспоримы, однако большая часть его аргументов целиком основана на произвольных предположениях". И далее: "Большие сдвиги континентов имели место до изобретения телеграфа, средние сдвиги - до изобретения радио, а после этого практически никаких сдвигов не наблюдалось".

Эти язвительные замечания не лишены оснований по крайней мере в первой своей части. Действительно, долготные измерения, производившиеся в свое время Вегепером и его сотрудниками в их экспедициях по Гренландии (в одной из которых Вегенер трагически погиб), были выполнены с точностью, недостаточной для строгого решения поставленной задачи. Это отмечали еще его современники.

Одним из наиболее убежденных сторонников теории движения материков в современном ее варианте является П. Н. Кропоткин. В 1962 г. он писал: "Палеомагнитные и геологические данные свидетельствуют о том, что в течение мезозоя и кайнозоя лейтмотивом движения земной коры было раздробление двух древних материков - Лавразии и Гондваны и расползание их частей в сторону Тихого океана и к геосинклинальному поясу Тетис". Напомним, что Лавразия охватывала Северную Америку, Гренландию, Европу и всю северную половину Азии, Гондвана - южные материки и Индию. Океан Тетис протягивался из Средиземноморья через Альпы, Кавказ и Гималаи в Индонезию.

Тот же автор далее писал: "Единство Гондваны прослежено теперь с докембрия до середины мела, а ее раздробление выглядит теперь как длительный процесс, начавшийся в палеозое и достигший особенно большого размаха с середины мелового периода. С этого времени прошло 80 миллионов лет. Следовательно, расстояние между Африкой и Южной Америкой возрастало со скоростью 6 см в год. Такая же скорость получается по палеомагнитным данным для перемещения Индостана из южного полушария в северное". Проделав по палеомагнитным данным реконструкцию расположения материков в прошлом, П. Н. Кропоткин пришел к выводу, что "-в это время континенты действительно были сбиты вместе в такую глыбу, которая напоминала очертания вегенеровской первичной материковой платформы".

Итак, сумма данных, полученных разными методами, показывает, что современное расположение материков и их очертания сформировались в далеком прошлом в результате ряда разломов и значительного перемещения материковых глыб.

Вопрос о современном движении материков решается на основании результатов долготных исследований, проведенных с достаточной точностью. Что в данном случае означает достаточная точность, можно увидеть из того, что, например, на широте Вашингтона изменению долготы на одну десятитысячную секунды соответствует смещение на 0,3 см. Поскольку предполагаемая скорость движения составляет около 1 м в год, а современным службам времени уже доступно определение моментов времени, хранение и передача точного времени с точностью до тысячных и десятитысячных долей секунды, то для получения убедительных результатов достаточно провести соответствующие измерения с интервалом в несколько лет или несколько десятков лет.

С этой целью в 1926 г. была создана сеть из 32 пунктов наблюдения и проведены астрономические долготные исследования. В 1933 г. были проведены повторные астрономические долготные исследования, причем в работу включилась уже 71 обсерватория. Эти измерения, проведенные на хорошем современном уровне, хотя и за не очень длинный интервал времени(7 лет), показали, в частности, что Америка не удаляется от Европы на 1 м в год, как думал Вегенер, а приближается к ней приблизительно со скоростью 60 см в год.

Таким образом, с помощью очень точных долготных измерений наличие современного перемещения больших материковых глыб было подтверждено. Более того, удалось выяснить, что отдельные части этих материковых глыб имеют несколько различное движение.