О работе атомных часов рассказывает Владимир Леонидович Яшкардин, инженер с радиотехническим образованием, окончивший кафедру радиосистем Ленинградского электротехнического института, более десяти лет работает инженером-разработчиком на ведущем предприятии Санкт-Петербурга "Морион", которое занимается производством атомных часов. Именно поэтому он обладает профессиональными знаниями и правом говорить об атомных часах.
Яшкардин В.Л.: На нашем заводе мы производим три типа атомных часов, включая рубидиевые.
Я хочу показать вам, что если изучить лекции таких популяризаторов науки, как Сурдин, Семихатов или Бояршинов, то все они говорят о невероятной точности, стабильности и эффективности атомных часов, подчеркивая, что это великое достижение человечества, которое позволило сделать значительный шаг вперед.
Наши компактные атомные часы, которые помещаются на ладони, являются одними из самых миниатюрных в мире. Если поставить два таких устройства рядом, их показания разойдутся на одну секунду только через 1500 лет. Это называется долговременной стабильностью, которая достигает уровня 5×10⁻¹⁰. За год отклонение составляет всего 5×10⁻¹⁰ от секунды.
Популяризаторы науки выделяют три основных достоинства атомных часов:
- равномерный ход времени (в отличие от солнечного времени, где сутки могут быть длиннее или короче),
- высокая долговременная стабильность (уход за год составляет ±1×10⁻¹⁰ от периода работы) и
- возможность использования в качестве эталона времени.
Астрономы традиционно определяли среднесуточное солнечное время, приравнивая сутки к 86 400 секундам, что позволяло точно вычислять секунду. Однако никто не упоминает о недостатках атомных часов, о которых я хочу рассказать.
С инженерной точки зрения, атомные часы неравномерны и нелинейны
1. Они никогда не идут равномерно. Равномерного времени в атомных часах нет и это подтверждается теоретически. Использовать их как источник равномерного времени нельзя.
2. Их долговременная стабильность в значительной степени преувеличена, так как она обусловлена синхронизацией атомных часов, о чем я подробнее расскажу позже.
3. Кроме того, их невозможно использовать как эталон секунды, поскольку воспроизвести их частоту независимо невозможно.
Все достоинства, о которых говорят популяризаторы, на практике оказываются противоположными, и я утверждаю, что от атомных часов следует отказаться.
Атомное время было введено в 1967 году на тринадцатой Генеральной конференции по мерам и весам, где был принят новый эталон секунды.
Официально секунда определена как 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих частотному переходу между двумя уровнями основного состояния атома цезия-133. Эта частота составляет около 9,2 ГГц. В 1997 году Международное бюро мер и весов уточнило, что атом цезия должен находиться в состоянии покоя при температуре, близкой к абсолютному нулю.
Я утверждаю, что это определение некорректно, так как атом цезия ни при каких условиях не может излучать частоту 9,2 ГГц. Радиочастоты такого диапазона не излучаются и не поглощаются атомами, что противоречит принципам квантовой физики. Частота 9,2 ГГц соответствует длине волны 3,26 см. Электронные оболочки атомов имеют размеры порядка нанометров, и излучают терогерцы - это наш видимый свет. Чтобы излучать радиоволны, надо быть размером в 3 см.
Электрон в атоме не может совершить переход, излучающий радиоволну такой длины, так как это запрещено квантовой физикой. Такой переход называется запрещенным.
Предложение охладить атом цезия до абсолютного нуля также абсурдно, поскольку при такой температуре атом не может излучать ничего, так как излучение требует энергии. Это определение эталона секунды, принятое в 1967 году, я считаю анахронизмом, не соответствующим современной квантовой физике, и оно свидетельствует о низкой компетентности тех, кто его принимал.
На самом деле радиоволны в атомных часах излучают атомные (молекулярные) генераторы, которые называются мазерами. Эти устройства были разработаны в 1954 году советскими учеными Николаем Басовым и Александром Прохоровым.
Они обнаружили, что разряженный нагретый аммиак, помещенный в резонансную среду, может поглощать радиоволну, что противоречит квантовой физике. На основе этого открытия был создан первый молекулярный генератор — мазер, который излучает радиочастоту. Если генератор излучает свет, его называют лазером. Таким образом, лазеры также являются разновидностью мазеров.
Как же излучаются радиочастоты (радиоволны), если атомы их не способны излучать?
Рассмотрим антенну — это, по сути, медный провод, состоящий из атомов меди.
Эти атомы связаны между собой электронными оболочками и образуют длинную структуру. На конце провода возникает обрыв, где среда меняется, и по поверхности сцепленных атомов, вдоль их электронных оболочек, могут двигаться свободные электроны. Это явление, известное из физики, называется электрическим током.
Если взять медный провод длиной, например, L/2, и подключить к нему генератор напряжения, который будет подавать электрический сигнал, электроны начнут колебаться вдоль провода, перемещаясь взад и вперед. В результате этих колебаний с провода излучается электромагнитная волна, зависящая от размеров антенны, в нашем случае длиной L. Важно понимать, что эта волна возникает не из-за переходов внутри отдельных атомов, а благодаря движению электронов по поверхности провода, вдоль цепочки атомов. Никаких квантовых энергетических переходов внутри атомов при этом не происходит.
Этот принцип был открыт еще до появления квантовой физики. Генрих Герц впервые продемонстрировал существование электромагнитных волн, показав, что сцепленные атомы в проводнике создают пути для движения электронов по их оболочкам. Когда электроны движутся по этим путям и достигают края провода, где среда меняется, возникает излучение радиоволн. Именно так работают радиостанции, телевидение и другие технологии. Внутри атомов меди никаких квантовых переходов не происходит — они лишь обеспечивают структуру для движения электронов.
Чтобы атом самостоятельно излучил радиоволну метрового диапазона, его электрон должен был бы переместиться на расстояние порядка метра, что невозможно, так как размеры атома составляют нанометры. Однако, соединив атомы в проводнике, мы создаем условия, при которых электроны могут двигаться по электронным оболочкам на большие расстояния, генерируя радиоволны. Этот принцип лег в основу работ советских ученых Александра Прохорова и Николая Басова, которые использовали подобные механизмы для создания устройств (мазеров), в которых атом способен генерировать или поглощать радиоволну.
Таким образом, излучение радиоволн — это результат коллективного взаимодействия электронов в проводнике, а не квантовых процессов внутри отдельных атомов. Именно это открытие позволило развить современные радиотехнологии.
Принцип работы мазера
Для генерации радиочастоты недостаточно просто создать резонанс. Николай Басов и Александр Прохоров создали мазеры, используя принципиально новый подход для генерации радиочастот. В отличие от традиционных антенн, где применяется медный провод, они работали с разряженным и нагретым газом аммиака. Этот газ, подобно среде в вакуумных лампах, обладает способностью проводить электрический ток: в разряженном состоянии электроны могут перемещаться вдоль электронных оболочек молекул, как это происходило в электронных лампах прошлого.
Однако одной лишь проводимости газа и резонанса недостаточно для создания мазера — устройства, генерирующего стабильную радиочастоту. Ключевой процесс заключается в умножении гармонических сигналов в пространстве. Радиочастота в мазере возникает не за счет прямого излучения атомами, а благодаря взаимодействию электромагнитных волн. Басов и Прохоров создали резонансную среду, в которой две электромагнитные волны с разными частотами взаимодействуют в условиях нелинейности, вызванной, например, неоднородным магнитным или электрическим полем. В такой среде волны, не обладающие массой, перемножаются, что приводит к появлению новых частот.
Этот процесс можно объяснить с помощью тригонометрии, знакомой из школьного курса. Если взять две синусоиды — синус A и синус B с разными частотами и амплитудами, их перемножение дает две новые частоты: суммарную и разностную. Этот принцип был известен радиотехникам еще в XIX веке. Устройства, реализующие такое перемножение сигналов, называются балансными смесителями (умножитель частот).
Если в деталях, то обязательно должна быть нелинейность, так как операция умножения - это нелинейная операция. В таком смесителе применяются два диода. На вход подаются два сигнала с разными частотами, и благодаря нелинейным свойствам диодов на выходе формируется промежуточная частота, представляющая собой разность или сумму исходных частот. Этот принцип хорошо известен в радиотехнике.
Однако Басов и Прохоров пошли дальше: они показали, что аналогичный процесс можно реализовать не в электронных устройствах, а непосредственно в пространстве, внутри резонатора. Если в резонатор ввести две электромагнитные волны с разными частотами и создать нелинейную среду — например, за счет неоднородного магнитного или электрического поля, — волны взаимодействуют и перемножаются. В результате этого взаимодействия возникают новые частоты: суммарная и разностная.
Именно этот механизм Басов и Прохоров применили в мазерах. Они разработали резонатор определенного размера, через который пропускали разряженный нагретый газ аммиака. Затем в резонатор подавалась электромагнитная волна, настроенная на резонансную частоту системы. В этих условиях молекулы аммиака начинали излучать фотоны с различными частотами. Ключевое открытие заключалось в том, что разность частот между этими фотонами, получаемая в результате их взаимодействия в резонаторе, соответствовала радиочастоте. Именно этот процесс позволил генерировать стабильные радиоволны, став основой работы мазера.
Современные мазеры работают следующим образом: при нагреве атома цезия он излучает фотоны с частотами в терагерцовом диапазоне, например, около 563 ТГц (10¹² Гц). Одновременно излучается второй фотон, частота которого незначительно сдвинута относительно первого. Разница между частотами этих двух фотонов, возникающая в результате их взаимодействия в резонаторе, соответствует радиочастоте, равной примерно 9,2 ГГц, которая и используется в атомных часах.
Именно эту радиочастоту, получаемую с помощью балансного смесителя, следовало указать в определении эталона секунды. Правильное определение должно гласить, что эталон основан на радиочастоте, являющейся разностью частот двух излученных фотонов, а не на прямом излучении атома цезия, как это ошибочно утверждается в официальном определении. Утверждение, что атом цезия непосредственно излучает радиочастоту 9,2 ГГц, некорректно, так как атомы не способны излучать радиоволны в этом диапазоне. Это принципиальная ошибка, искажающая понимание работы атомных часов.
Устройство атомных часов
Современные атомные часы, например, производства швейцарской компании Spectracom, включают кварцевый генератор высокой точности (до 10⁻¹³), который обеспечивает основную стабильность. Мазер же используется для подстройки кварцевого генератора в долгосрочной перспективе. Без кварцевого генератора мазер дает стабильность лишь на уровне 10⁻4, что недостаточно для точных измерений.
Также в часах используется навигационная плата GPS, которая подстраивает кварцевый генератор к сигналам со спутника, на котором стоит мазер. Если сигнал от спутника пропадает, то включается мазер на часах. Таким образом, атомные часы по сути являются кварцевыми, а мазер лишь корректирует их в долгосрочной перспективе.
Как работает мазер в рубидиевых атомных часах
Вики: Рубидиевые атомные часы (стандарт Rb) — это самые недорогие, компактные и широко производимые атомные часы, которые используются для контроля частоты телевизионных станций, базовых станций сотовой связи, в испытательном оборудовании и спутниковых системах глобальной навигации, таких как GPS. Коммерческие рубидиевые часы менее точны, чем атомные часы на основе цезия, которые служат первичными эталонами частоты, поэтому рубидиевые часы обычно используются в качестве вторичных эталонов частоты.
Рубидиевые атомные часы используют резонансную ячейку, размеры которой определяются длиной волны, равной примерно 4,4 см для рубидия, которая соответствует частоте примерно 6,8 ГГц. Можно применять полуволновые резонаторы, которые обеспечивают компактность миниатюрных атомных часов.
Делается металлический резонатор 4,4 см, наполняется парами рубидия, возбудили пары нелинейным электрическим полем, то есть создали нелинейность, и атомы засветились таким розовым цветом. Так как есть резонансная среда и нелинейность, то рубидий начинает выпускает фотоны двух разных частот.
Взаимодействие фотонов в резонаторе приводит к появлению и фиксации с помощью балансного смесителя, разностной частоты, которая соответствует радиочастоте 6,8 ГГц, используемой в часах. Эта радиочастота снимается миниатюрными антеннами — двумя проводниками, подключенными к резонатору. Сигнал усиливается и через устройство обратной связи стабилизируется, обеспечивая работу молекулярного генератора, известного как мазер.
В данном случае это пассивный мазер, работающий на оптическом резонансе. Они отличаются миниатюрностью.
Или другими словами в соответствие с научным определением их функционирования: Внутри системы находится рубидиевая газоразрядная лампа, которая испускает свет, возбуждающий пары рубидия в резонансной ячейке. Этот свет содержит фотоны с частотами, соответствующими оптическим переходам рубидия. Ячейка, заполненная парами рубидия, помещается в металлический резонатор, настроенный на микроволновую частоту гипертонкого перехода (6,8 ГГц). Когда пары рубидия подвергаются воздействию микроволнового излучения, близкого к частоте перехода, интенсивность света, проходящего через ячейку и достигающего фотоприемника, уменьшается примерно на 0,1% из-за резонансного поглощения.
Кварцевый генератор, являющийся основным источником стабильности, подстраивается к этой частоте гипертонкого перехода. Для этого радиочастотный синтезатор, связанный с кварцевым осциллятором, сканирует частоту вблизи 6,8 ГГц, а система обратной связи фиксирует момент падения светового потока, обнаруживаемого фотоприемником. Это падение сигнализирует о точном совпадении частоты синтезатора с частотой гипертонкого перехода рубидия, что позволяет стабилизировать кварцевый осциллятор.
Применяя различные атомы или молекулы, можно генерировать другие частоты. Если же устройство начинает излучать свет вместо радиочастот, оно классифицируется как лазер.
Таким образом, рубидиевые атомные часы представляют собой сложную систему, где взаимодействие света, паров рубидия и резонансной среды позволяет получать стабильную радиочастоту, лежащую в основе их высокой точности.
Нелинейность атомных часов
Атомные часы считаются одними из самых точных устройств для измерения времени, поскольку фиксируют частоту перехода между энергетическими уровнями атома (чаще всего — цезия-133). Однако, анализ квантового поведения атомов в гравитационном поле выявляет ограничения этой точности, и объясняет, почему атомные часы по своей природе нелинейны и не могут быть абсолютным эталоном времени. Вот подробное объяснение на основе вышеизложенного:
1. Атомные часы зависят от внешнего потенциала
Атомные часы работают на основе резонансной частоты перехода между энергетическими уровнями атома. Но:
- Как показано в анализе, гравитационный потенциал влияет на энергетические уровни, пусть даже и сдвигая их равномерно (в случае однородного поля).
- Если поле неоднородно, появляются дополнительные возмущения (квадрупольного типа), которые влияют на форму волновых функций и частоту переходов, пусть и очень слабо.
📍 Это означает, что резонансная частота атома не является универсальной: она зависит от положения в гравитационном поле и условий окружающей среды (в том числе электромагнитных, температурных и пр.).
2. Зависимость от положения и движения (относительность)
Хотя в классическом ньютоновском приближении можно сказать, что атом «не чувствует» однородной гравитации (внутренне), на практике:
- При перемещении атомных часов, например, на разные высоты, фиксируется изменение частоты — то самое гравитационное красное смещение.
- Также часы идут иначе при изменении скорости (специальная относительность).
📍 Это означает, что время, измеряемое атомными часами, всегда локально и зависит от состояния движения и положения — не существует одного эталона времени на всю Вселенную.
3. Нелинейность во времени
Атомные часы измеряют периоды переходов, но:
- Эти переходы зависят от энергетической структуры, а структура может быть слегка нарушена даже в условиях слабых гравитационных и электромагнитных возмущений.
- Возникает кумулятивный эффект: даже сверхмалые флуктуации (например, гравитационные приливы, микроскопические градиенты поля) со временем накапливаются.
📍 Таким образом, работа атомных часов со временем уходит от линейного отсчёта. Они дают локальный, приближённый линейный масштаб, который может быть стабильным лишь в строго контролируемых условиях.
4. Философский и физический вывод
Если считать время фундаментальной величиной (не выводимой из движения), то:
- Атомные часы не создают время, они лишь регистрируют частоту процессов, которые могут изменяться.
- Следовательно, время, измеряемое атомными часами, не является абсолютным, а представляет собой инженерный приближённый эталон, зависимый от среды.
Вывод:
Атомные часы являются нелинейными и не могут быть абсолютным эталоном времени, потому что:
- частоты атомных переходов зависят от внешних условий (гравитации, ускорения, температуры и т. д.);
- эти зависимости накапливаются и делают измерение времени контекстуальным, локальным;
- сами энергетические уровни атомов подвержены возмущениям и не являются неизменными.
⏱️ Итог: атомные часы — это точный, но не универсальный инструмент. Они измеряют локальное время в данной системе отсчёта, но
не дают линейного, абсолютного течения времени.
Это подтверждается квантовым анализом в гравитационных полях.
Научное обоснование: Влияние гравитационного поля на электронные оболочки атома
Квантовомеханическое описание частицы в классическом гравитационном поле вводится как потенциальная энергия $m\phi(\mathbf{r})$ в гамильтониан. Проще говоря, в уравнение Шрёдингера добавляется гравитационный потенциал (например, при однородном поле – член $m_e g z$). Это аналогично эффекту Штарка: поле создаёт дополнительную энергию, но формально уравнение остаётся стандартным. Экспериментально это подтверждается (например, «квантование» нейтронов в гравитационном поле Земли показало, что квантовое уравнение Шрёдингера действительно работает с Ньютоновским потенциалом).
Однако важный нюанс связан с эквивалентностью гравитации: в однородном поле электроны и ядро испытывают одинаковое ускорение, так что при свободном падении атом «не чувствует» гравитации внутренне. Потенциал смещает все уровни на одну константу (аналогично гравитационному красному смещению, одноразово для всех спектральных линий), но не меняет относительных расстояний. Иначе говоря, если атом свободно падает или находится в равномерном поле без внешней опоры, его электронные орбитали не «сжимаются» – внутреннее распределение не изменится по сравнению со случаем без поля.
Единственные эффекты на форму оболочек даёт неоднородность поля (приливные силы). При наличии градиента гравитации добавочный потенциал электрону можно разложить в ряд: кроме константного сдвига возникают квадрупольные члены пропорциональные $z^2$ (по аналогии с квадрупольным возмущением в эффекте Штарка). Так, гамильтониан атома получает член вида $\mu,g',z^2$, где $\mu$ – приведённая масса электрона и ядра. Это даёт сдвиги уровней, но они оказываются крайне малы. Квантовые оценки показывают, что даже в очень сильном поле (например, около массивной чёрной дыры) изменение энергии 1s-уровня порядка $E^{(1)}\sim G M a_0^2 m_e/r^3$ сверхмало. На практике, для атома около горизонта событий звезды солнечной массы оценка сдвига $\Delta E\sim10^{-22}$ эВ. В более «земных» условиях эффект ещё несравненно слабее. Например, расчёты для сильно возбуждённого (ридберговского) атома водорода на высоте ~10 км над Землёй дают изменение энергии порядка $10^{-50}$ Дж (что соответствует ~$10^{-31}$ эВ). Это гораздо ниже электрооптических шкал, поэтому форма волновой функции практически не меняется.
Основные выводы
В классическом (ньютоновском) приближении гравитационное поле вводится в уравнение Шрёдингера через потенциальную энергию $m\phi(\mathbf{r})$, что формально похоже на эффект Штарка.
Однородное гравитационное поле не меняет относительную структуру атома: электроны и ядро ускоряются одинаково, давая лишь общий энергетический сдвиг уровней. Это означает, что без учёта эффекта торможения времени (ОТО) атом не «сжимается» во свободном падении.
Только неоднородность поля (приливные силы) даёт внутренние возмущения: появляется квадрупольный потенциал $\propto \mu g'z^2$. Однако квантово-механический расчет показывает, что соответствующие сдвиги уровней чрезвычайно малы (например, $\Delta E\sim10^{-50}$ Дж).
Таким образом, объяснить заметное «сжатие» оболочек классической гравитацией не получается – внутри квантовой модели атом ведёт себя почти неизменно. Существенные гравитационные эффекты (гравитационное красное смещение, замедление времени) связаны именно с релятивистским описанием пространства-времени, а не с перестройкой волновых функций атома.
Источники: квантово-механические описания гравитационных возмущений атомов и оценки размеров эффектов показаны в приведённых работах. Стандартные примеры (квантовые уровни нейтронов в поле Земли, эффект Штарка и красное смещение) иллюстрируют, что без релятивистских эффектов атом в гравитации остаётся практически неизменным.
Синхронизация
Недостатки атомных часов связаны с их синхронизацией. Все атомные часы на Земле синхронизированы, что создает ложное впечатление их стабильности.
При калибровке атомных часов на национальных метрологических центрах (PTB, NIST и др.) стараются избежать синхронизации. Во‑первых, сравнение приборов обычно проводится через хорошо определенные каналы связи (кабели с усилителями, оптоволокно) с известной изоляцией, а не размещением их вплотную друг к другу без соединений. Во-вторых, сами часы располагают в экранированных камерах, контролируют магнитное поле и температуру – чтобы минимизировать внешние помехи. Любые подозрительные возмущения регистрируются и выносят в неопределенность измерения.
Если в лаборатории и были замечены какие‑то «лишние» помехи между двумя стандартами, то это трактуется как погрешность, а не как желаемая синхронизация. Метрологические процедуры предусматривают анализ сноски и «зоны заметания» (guard band), чтобы убедиться, что прибор свободен от влияния соседей. Таким образом, на практике эффект вынуждённой синхронизации либо не фиксируется, либо полностью устраняется мерами экранирования и контролем условий.
Самопроизвольная «подстройка» атомных часов при совместном размещении теоретически возможна через инжекционный захват частоты (коррелирующий сигнал одного прибора проникает в другой), однако на практике этот эффект минимизирован и документально не встречается как отдельная проблема. В профессиональных поверках он учитывается посредством изоляции и тщательного контроля условий испытания, исключающих нежелательное взаимовлияние.
Изменение вместимости пространства
Если изменить условия, например, поднять часы на спутник, их частота меняется из-за гравитационного эффекта.
Поэтому GPS-спутники имеют корректировки по гравитационному красному смещению — их атомные часы «идут быстрее», чем земные, и это строго учитывается.
Это приводит к расхождению времени: за три года атомные часы на спутниках уходят на три секунды от земных эталонов.
В 1967 году атомное время (TAI) было введено как эталон, но оно оказалось нестабильным. Астрономическое время, основанное на движении небесных тел, было более точным. Чтобы компенсировать расхождения, каждые три года в календарь добавляют високосную секунду, что уже привело к добавлению 27 секунд за 52 года. Это нарушает грегорианский календарь и создает проблемы с точными расчетами.
Я провожу эксперименты на нашем заводе, используя кварцевые генераторы с точностью до 10⁻¹⁴, которые превосходят атомные часы по стабильности. Мои измерения показывают, что частота атомных эталонов (например, водородных) меняется под воздействием гравитации Луны и Солнца. Кварцевые генераторы, напротив, остаются стабильными, что доказывает их превосходство для измерения времени.
Кроме того, я наблюдаю эффект, который называю изменением вместимости пространства. Частота атомных часов увеличивается на 2,2×10⁻¹⁸ в секунду, что соответствует красному смещению, наблюдаемому в астрономии. Это может объяснять расширение Вселенной не как физическое движение галактик, а как уменьшение размеров материи на Земле. Вместимость пространства — это не сжатие или уплотнение, а увеличение способности пространства вмещать больше объектов при неизменной массе и плотности.
Кварцевые часы, в отличие от атомных, не подвержены гравитационным эффектам и демонстрируют равномерный ход времени. Это позволяет использовать их как более надежный эталон. Атомные часы, напротив, не могут быть эталоном, так как их частота зависит от внешних условий (гравитации, температуры, давления) и не воспроизводима независимо.
Введение атомного времени в 1967 году, на мой взгляд, было сделано с целью подтвердить релятивистскую физику Эйнштейна. Эталон времени, основанный на электромагнитном излучении, меняется в зависимости от скорости и гравитации, что создает иллюзию искривления времени и пространства. Если использовать кварцевые или механические часы, время остается неизменным, что опровергает релятивистские эффекты.
Я пытался опубликовать результаты своих экспериментов, но столкнулся с препятствиями. На заводе мне отказали в выдаче экспертного заключения, ссылаясь на то, что мои выводы наносят репутационный ущерб предприятию, так как противоречат общепринятой теории относительности. Научные журналы также отклоняют статьи, если они не соответствуют релятивистской парадигме. Это свидетельствует о том, что современная наука подавляет альтернативные взгляды.
Я призываю к возвращению равномерного времени, основанного на кварцевых или астрономических эталонах, и к свободному обсуждению идей. Наука должна быть открыта для сомнений и экспериментов, а каждый человек имеет право самостоятельно размышлять об устройстве мира".