В этой статье представлена расшифровка первой части подкаста "Атомные часы: как успеть все до нового года". В ней специалисты в области квантовой метрологии Черепанов Павел и Тричев Константин обсудили основные применения атомных часов.
Главный вопрос: зачем вообще это нужно?
Начнем с того, что если бы не было атомных часов, то средств глобального позиционировали: GPS (Американская система глобального позиционирования, англ. Global Positioning System) и GLONASS (Глобальная навигационная спутниковая система, англ. Global Navigation Satellite System), их просто не существовало бы. Обычных часов для них недостаточно, потому что основа систем геопозиционирования завязана на следующем: существует спутник, с которого посылают сигнал на необходимое устройство (приемник), а также отправляют обратный сигнал на этот спутник. По разнице между отправленным и полученным сигналами определяются координаты объекта.
Проблема возникает в том, что нужно точно знать время, когда сигнал отправили и получили обратно, чтобы посчитать задержку при передаче. Таким образом можно будет пересчитывать координаты для GPSи GLONASS. Для этого нужно несколько больше спутников, например, в мобильном телефоне, где используются эти карты. В таком устройстве нужно одновременно иметь связь хотя бы с четырьмя спутниками, потому что помимо трех пространственных координат есть еще время, а каждый спутник отвечает за что-то одно. Условно один из них отвечает за Xкоординату, второй – за Y, третий – за Z и последний считает время. Необходимо «общаться» с четырьмя спутниками, чтобы знать координаты и время, а точность измерения времени обеспечивают атомные часы.
А какая точность примерно нужна спутнику?
Зависит от того, насколько хорошо мы хотим знать свое местоположение. Для определенных задач нужна сантиметровая точность, для других хватит и метровой. Насколько я знаю, сейчас аппаратура на спутниках дает погрешность в районе 10⁻¹² точно, а может и точнее. Этого хватает, чтобы определять координаты с точностью порядка десятков метров и метров. Карты работают так, что дополнительно получают часть информации и уточняют местоположение по вышкам сотовой связи. Но чем точнее мы будем знать координату от спутника, тем меньше будет нагрузка на вышки сотовой связи, тем быстрее будет работать интернет.
Часы какого размера устанавливают на спутники?
Маленькие, это обычно водородные мазеры. Они хороши тем, что способны кратковременно очень точно хранить частоту, но совершенно не подходят для ее долговременного хранения. Поэтому большие часы на Земле используют для того, чтобы постоянно отправлять сигналы этим спутникам и корректировать часы в них, так постоянно идет обмен этими самыми сигналами. Таким образом, навигация – это одно из применений портативных атомных часов.
Какие еще есть применения?
Достаточно долго ученые мечтают о том, чтобы создать геопотенциальную карту Земли, разберем, что это значит. Известен научный факт: свет вблизи достаточно тяжелых объектов начинает замедляться. Часы с точностью в области восемнадцатого порядка очень чувствительные к гравитации. Как это можно себе представить? Допустим, по таким лабораторным часам посчитали время, потом их подняли на 10 см вверх вновь пересчитали время. Окажется, что эти часы ускорятся банально из-за того, что на них действует другая гравитация, более слабая. Как можно это использовать? Предположим, что эти часы сделали более компактными и стали перевозить по всей Земле. Эти часы чувствительны к гравитации, а в каждой точке планеты потенциалы разные, потому что она обладает формой геоида, который имеет впадины, моря, внутри земной коры могут быть залежи твердых тел либо наоборот газов. В любой точке планеты потенциал будет уникальным, тем самым мы сможем создать гравитационную карту Земли.
Какие применения из этого следуют? С помощью такой карты и дополнительных приборов (высотометров, измерителей давления и т.д.) можно будет понимать свое местоположение. Это удобно для подводных лодок, потому что электромагнитный сигнал очень плохо проходит через большую толщу соленой воды, другими словами, применение GPS невозможно. Сейчас, когда подводная лодка опускается, экипаж знает свое расположение не настолько хорошо, как могли бы с гравитационной картой Земли.
Помимо этого, эффект гравитационного замедления времени (время замедляется при увеличении гравитации и ускоряется при ее уменьшении) можно использовать при поиске, например, полезных ископаемых или пещер, невидимых невооруженным взглядом. Для их обнаружения можно постоянно сверять наши подвижные часы с некоторыми, которые стоят на месте. Если подвижные часы пошли медленнее, значит рядом находится что-то тяжелое, если они пошли быстрее, то там находится полость, которая может быть заполнена, к примеру, полезными благородными газами. Поэтому практическое применение есть, но для этого нужны передвижные часы с точностью хотя бы семнадцатого порядка, таких пока что не наблюдается, поэтому существуют перспективные работы в этом направлении.
Записала: Деримедведь Д.
Читайте другие части (часть I, часть II, часть IV) в нашем блоге, слушайте этот и другие подкасты на ЯндексМузыке, во ВКонтакте или на удобной Вам платформе.
#инженерный_подкаст
#все_ответы_в_науке_МИФИ
#десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
