Как работают атомные часы — Журнал lavarden.ru
Войти
Пятница, 23 октября 2026
Как устроены вещи Навигация и связь

Как работают атомные часы

Фонтан из атомов цезия, 9 192 631 770 колебаний и точность «секунда за 100 миллионов лет»

Объяснение Проверено 21 октября 2026 2 мин чтения Обсудить
Коротко

Атомные часы отсчитывают время по колебаниям, которые «слышат» атомы цезия-133. Атомы охлаждают лазерами почти до абсолютного нуля, подбрасывают вверх, и при подъёме и падении они дважды пролетают через облако микроволн. Частоту микроволн подстраивают, пока она не совпадёт с собственной частотой атомов. 9 192 631 770 таких колебаний и есть одна секунда — так её определяют с 1967 года. Лучшие часы этого типа ошиблись бы меньше чем на секунду за 100 миллионов лет.

Маятник из атомов

Любые часы считают какие-то повторяющиеся колебания: маятник, кварцевую пластинку, как в кварцевых часах. В атомных часах «маятник» — это атомы цезия-133. У них есть строго определённая частота перехода между двумя энергетическими состояниями: 9 192 631 770 колебаний в секунду.

Эта частота одинакова у всех атомов цезия и не меняется со временем, как меняется ход маятника или кварца. Поэтому с 1967 года секунду определяют именно по ней.

Высокая установка из металлических колонн, трубок и лазерной оптики в лаборатории
Атомные часы-фонтан NIST-F1, Национальный институт стандартов и технологий СШАNIST · Викисклад · Общественное достояние

Атомный фонтан

Лучшие современные атомные часы называют фонтанами. Цикл в часах NIST-F2 Национального института стандартов и технологий США выглядит так[1]:

  1. Ловушка. Газ цезия попадает в вакуумную камеру. Шесть инфракрасных лазеров тормозят атомы и собирают их в облачко — около 10 миллионов атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля.
  2. Бросок. Два вертикальных лазера подбрасывают облачко вверх примерно на 1,3 метра, затем лазеры выключаются.
  3. Микроволны. Поднимаясь и падая под действием тяжести, атомы дважды пролетают через камеру с микроволнами. Если частота микроволн точно совпадает с частотой атомов, многие из них меняют состояние.
  4. Проверка. Ещё один лазер заставляет изменившиеся атомы светиться, а детектор считает вспышки.
  5. Подстройка. Частоту микроволн подкручивают, пока изменившихся атомов не станет больше всего.

Цикл повторяется тысячи раз в час.

Откуда берётся секунда

Когда частота микроволн настроена точно на атомы, остаётся сосчитать колебания: 9 192 631 770 циклов микроволн — это одна секунда[2].

Секунда за 100 миллионов лет

Новейшие часы NIST-F4 измеряют частоту с точностью 2,2 части на 10¹⁶. Если бы они начали идти 100 миллионов лет назад, во времена динозавров, сегодня они ошибались бы меньше чем на секунду.

Где они нужны

Цезиевых фонтанов в мире меньше двадцати, почти все — в национальных метрологических лабораториях. Вместе они калибруют всемирное координированное время, по которому сверяют часы весь мир, интернет и связь. Атомные часы несут и спутники GPS: определение координат там — это, по сути, очень точное измерение времени.

Что дальше

Уже около 2030 года секунду могут переопределить по оптическим атомным часам — они ещё точнее. Но цезиевые фонтаны, говорят в NIST, всё равно останутся в работе.

времяфизикаизмерения

Частые вопросы

Есть ли атомные часы у меня в телефоне?

Нет, но телефон сверяет время с ними: спутники GPS несут атомные часы, а точное время приходит и через интернет и сотовую сеть от служб, опирающихся на атомные эталоны.

Сколько в мире таких эталонных часов?

Цезиевых «фонтанов» в мире меньше двадцати, почти все — в национальных метрологических лабораториях. Вместе они калибруют всемирное координированное время.

Изменится ли определение секунды?

Возможно, уже около 2030 года секунду переопределят по оптическим часам — они ещё точнее цезиевых.

Источники

  1. NIST. Background: How NIST-F2 Works, nist.gov. www.nist.gov
  2. NIST. New Atomic Fountain Clock Joins Elite Group That Keeps the World on Time, nist.gov, 2025. www.nist.gov

Ссылаются на эту статью

Обсуждение

Комментариев пока нет — начните обсуждение первым.