Цезиевый стандарт: как человечество измеряет время с космической точностью

Кристаллы цезия. Фото: Dnn87 / wikimedia.org

Когда мы смотрим на стрелки часов, мы редко задумываемся, каким образом достигается точность времени в таких критических важных областях как навигация, космос, оборона страны и др. Там, где важна точность до миллиардных долей секунды, на помощь приходят атомы цезия.

Именно они стали новым эталоном времени.

О том, как устроены и работают атомные часы — в нашем материале.

В погоне за эталоном

Человечество с древности пыталось найти способы, которые позволят четко измерять время. Песочные, водяные и солнечные часы — первые попытки ухватить время, которые в наши дни с трудом можно назвать точными. Технический прогресс, географические и научные открытия стимулировали развитие устройств измерения и поиск все более качественного эталона — определенной и неизменной величины времени. В поиске эталона и идеальных часов человечество прошло путь от астрономических методов до квантовых технологий.

Большинство приборов для измерения времени не может работать без осциллятора — предмета, колеблющегося с определенной частотой. Механические часы измеряют время периодом колебаний маятника или пружины. Благодаря таким часам удалось обнаружить, что океанические приливы систематически замедляют суточное вращение Земли. Проблема с точностью возникает, когда маятник начинает изменяться из-за внешних факторов. Кварцевые часы работают за счет колебаний пластинок кварца под воздействием электричества. Эти часы позволили установить, что длительность суток может изменяться в обе стороны на сотые и тысячные доли секунды.

Однако и они неидеальны: кристалл кварца со временем теряет свойства, из-за чего нарушается точность. Разработки в области квантовой физики позволили сделать новый шаг в создании наиболее точных часов.

Льюис Эссен (справа) и его коллега Дж.В.Л. Парри (слева) с первыми в мире цезиевыми атомными часами, 1955 год. Фото: National Physical Laboratory

О том, что атомы можно использовать для измерения времени, говорил еще британский физик лорд Кельвин в 1870-х годах. Однако технологии позволили проверить это только несколько десятилетий спустя. В 1949 году ученые Национального бюро стандартов США разработали часы на основе молекул аммиака, которые в итоге оказались менее точными, чем кварцевые. Зато атомные часы на цезии-133, созданные Льюисом Эссеном в британской Национальной физической лаборатории в 1955 году, имели погрешность всего в десятимиллиардную долю секунды. Впоследствии Эссен и его коллега Джек Перри снизили погрешность до триллионной доли секунды и предложили изменить само определение секунды, привязав к частоте переходов атома цезия.

Цезий-133 — довольно распространенный элемент. А еще частота, с которой атомы цезия-133 выпускают электромагнитное излучение, постоянна и не зависит от внешнего воздействия. Вот почему этот элемент идеально подошел для атомных часов.

В 1956 году эталон секунды все же привязали к длине года, он составил 1/31 556 925,9747 тропического года по состоянию на 1900 год. Лишь в 1967 году на Генеральной конференции по мерам и весам секунду определили как интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, который соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Астрономические циклы остались в прошлом.

Принцип работы атомных часов

Каждый атом состоит из ядра — положительно заряженной части, а также электронной оболочки — отрицательно заряженных электронов. Вращающиеся вокруг ядра электроны могут находиться на определенных энергетических уровнях. Если вещество подвергается воздействию, электроны начинают переходить на другой уровень. Этот переход сопровождается выбросом или поглощением фотона — кванта электромагнитного излучения. Именно на частоту излучения опирается метод измерения времени в атомных часах.

В состав часов входит кварцевый осциллятор (генератор), атомный резонатор и комплекс электроники с измерительными приборами и детекторами. Атомы направляются в установку, где на них действует микроволновое излучение. При определенной частоте атомы начинают переходить на другой энергетический уровень. Частота переходов и определяет, каким будет эталон.

В современных стандартах, чтобы обеспечить переход атомов с одного энергетического уровня на другой, используют лазерное излучение с высокой частотой. Чтобы понизить эту частоту до радиочастотного диапазона электроники, используют так называемую оптическую гребенку. Именно оптические стандарты частоты обладают достаточно высокой точностью и стабильностью (10^-17—10^-18).

И физики, и лирики

В России главным учреждением, которое поддерживает национальную шкалу времени на базе собственного эталона, выступает ВНИИФТРИ — Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений. Институт официально был основан в 1955 году на базе нескольких НИИ. Измерение времени и частоты — его ключевое направление работы. В 1957 году, когда Советский Союз запустил первый искусственный спутник Земли, служба времени ВНИИФТРИ начала передавать сигналы времени в виде шести точек, а с 1960 года — круглосуточно передавать сигналы точного времени.

В числе выдающихся ученых-метрологов, которые создавали государственный эталон времени, был Сергей Борисович Пушкин — праправнук поэта Александра Сергеевича Пушкина. Именно Сергей Борисович стал первым ученым-хранителем первого государственного эталона. Он окончил электрофизический факультет Политехнического института, начал работать в ВНИИФТРИ с 1955 года и участвовал в подготовке аппаратуры для передачи сигнала точного времени в 1957 году.

Сергей Борисович Пушкин, 1972 г. Фото: ВНИИФТРИ

В 1964 году в институте приступили к созданию атомных часов — комплекса аппаратуры для государственного эталона. Сергей Борисович руководил исследованием и аттестацией аппаратуры, разработкой нормативной и методической документации. Три года спустя Государственный первичный эталон времени, частоты и атомной шкалы времени был официально утвержден. В основе его лежали квантово-механические водородные генераторы и высокоточные кварцевые часы — хранители шкалы времени. Этот эталон гарантировал воспроизведение единиц измерений с погрешностью 1×10^-11. 1 января 1972 года сигналы радиостанций Государственной службы времени и частоты Советского Союза были согласованы с международной шкалой с погрешностью менее 50 мкс.

Сергей Борисович Пушкин более 40 лет был ученым-хранителем первого Государственного эталона времени и частоты. Разработанные им атомные часы совершенствовались и не теряли точности.

Первый цезиевый стандарт частоты от Ростеха

На конференции «Цифровая индустрия промышленной России» (ЦИПР-2025), холдинг «Росэл», входящий в Госкорпорацию Ростех, представил цезиевый стандарт частоты и времени-2021 (ЦСЧВ-2021). Устройство создает стабильные сигналы, относительно которых можно выполнить настройку и поверку телекоммуникационного оборудования. Оно позволяет синхронизировать аппаратуру связи как в крупных системах, связанных с навигацией и космосом, так и в центрах обработки данных или мобильных сетях. Главная особенность цезиевых стандартов — высокая стабильность в течение длительного времени.

Фото: пресс-служба конференции ЦИПР

ЦСЧВ-2021 соответствует лучшим мировым аналогам, это уникальная разработка для российского рынка, созданная специалистами НПП «Исток» им. Шокина холдинга «Росэл». Оборудование прошло необходимые испытания и сертификацию как первичный эталонный источник, а также было внесено в Государственный реестр средств измерений.