Атомные часы

Часы, отслеживающие резонансную частоту атомов

Главный ансамбль атомных часов в Военно-морской обсерватории США в Вашингтоне, округ Колумбия , который обеспечивает стандарт времени для Министерства обороны США. ^[1] Смонтированные в стойке блоки на заднем плане — это цезиевые лучевые часы Microsemi (ранее HP) 5071A. Черные блоки на переднем плане — водородные мазерные стандарты Microsemi (ранее Sigma-Tau) MHM-2010.

Атомные часы — это часы , которые измеряют время, отслеживая резонансную частоту атомов. Они основаны на атомах, имеющих различные уровни энергии . Электронные состояния в атоме связаны с различными уровнями энергии, и при переходах между такими состояниями они взаимодействуют с очень специфической частотой электромагнитного излучения . Это явление служит основой для определения секунды в Международной системе единиц (СИ) :

Секунда, символ s, является единицей времени СИ. Она определяется путем принятия фиксированного числового значения частоты цезия, невозмущенной частоты сверхтонкого перехода основного состояния атома цезия-133, равной ${\displaystyle \Delta \nu _{\text{Cs}}}$9 192 631 770 , если выразить в единице Гц, что равно с ⁻¹ .

Это определение является основой для системы Международного атомного времени (TAI), которая поддерживается ансамблем атомных часов по всему миру. Система Всемирного координированного времени (UTC), которая является основой гражданского времени, реализует високосные секунды , чтобы позволить часовому времени отслеживать изменения во вращении Земли с точностью до одной секунды, будучи основанной на часах, которые основаны на определении секунды, хотя високосные секунды будут постепенно отменены в 2035 году. ^[2]

Точные возможности хронометража атомных часов также используются для навигации спутниковыми сетями , такими как программа Европейского союза Galileo и GPS США . Точность хронометража задействованных атомных часов важна, поскольку чем меньше погрешность измерения времени, тем меньше погрешность измерения расстояния, полученная путем умножения времени на скорость света (погрешность измерения времени в наносекунду или 1 миллиардную долю секунды (10 ⁻⁹ или 1 ⁄ 1 000 000 000 секунды) соответствует расстоянию почти в 30 сантиметров (11,8 дюйма) и, следовательно, позиционной погрешности).

Основная разновидность атомных часов использует атомы цезия , охлажденные до температур , близких к абсолютному нулю . Основной стандарт для Соединенных Штатов, цезиевые фонтанные часы Национального института стандартов и технологий (NIST) под названием NIST-F2 , измеряют время с погрешностью в 1 секунду за 300 миллионов лет (относительная погрешность10 ⁻¹⁶ ). NIST-F2 был запущен 3 апреля 2014 г. ^{[3] [4]}

История

Луис Эссен (справа) и Джек Перри (слева) стоят рядом с первыми в мире атомными часами на цезии-133 в 1955 году в Национальной физической лаборатории на западе Лондона, Англия.

Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл предложил измерять время с помощью колебаний световых волн в своем «Трактате об электричестве и магнетизме» 1873 года: «Более универсальная единица времени может быть найдена, если взять периодическое время колебаний определенного вида света, длина волны которого является единицей длины». ^{[5] [6]} Максвелл утверждал, что это будет точнее, чем вращение Земли , которое определяет среднюю солнечную секунду для хронометража. ^[7]

В 1930-х годах американский физик Исидор Айзек Раби построил оборудование для атомно-лучевых магнитно-резонансных частотных часов. ^{[8] [9]}

Точность механических, электромеханических и кварцевых часов снижается из-за температурных колебаний. Это привело к идее измерения частоты колебаний атома для более точного измерения времени, как предложили Джеймс Клерк Максвелл, лорд Кельвин и Исидор Раби. ^​​[10] Он предложил эту концепцию в 1945 году, что привело к демонстрации часов на основе аммиака в 1949 году. ^[11] Это привело к созданию первых практически точных атомных часов с атомами цезия в Национальной физической лаборатории в Соединенном Королевстве в 1955 году ^{[12] [13]} Луисом Эссеном в сотрудничестве с Джеком Перри. ^[14]

Цезиевые атомные часы 1975 года (верхний блок) и резервная батарея (нижний блок) ^[15]

В 1949 году Альфред Кастлер и Жан Броссель ^[16] разработали технику, называемую оптической накачкой, для переходов уровня энергии электронов в атомах с использованием света. Эта техника полезна для создания гораздо более сильных сигналов магнитного резонанса и поглощения микроволн. К сожалению, это вызвало побочный эффект в виде легкого сдвига резонансной частоты. Клоду Коэну-Тануджи и другим удалось уменьшить световые сдвиги до приемлемых уровней.

Рэмси разработал метод, который в настоящее время широко известен как интерферометрия Рэмси , для более высоких частот и более узких резонансов в осциллирующих полях. Кольский, Фиппс, Рэмси и Силсби использовали эту технику для спектроскопии молекулярного пучка в 1950 году. ^[17]

После 1956 года атомные часы изучались многими группами, такими как Национальный институт стандартов и технологий (ранее Национальное бюро стандартов) в США, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) в Германии, Национальный исследовательский совет (NRC) в Канаде, Национальная физическая лаборатория в Великобритании, Международное бюро времени ( фр . Bureau International de l'Heure , сокращенно BIH) при Парижской обсерватории , Национальная радиокомпания , Bomac, Varian , Hewlett–Packard и Frequency & Time Systems. ^[18]

В 1950-х годах Национальная радиокомпания продала более 50 единиц первых атомных часов, Atomichron . ^[19] В 1964 году инженеры Hewlett-Packard выпустили стоечную модель цезиевых часов 5060. ^[10]

Определение второго

В 1968 году СИ определила продолжительность секунды как9 192 631 770 колебаний невозмущенной частоты сверхтонкого перехода основного состояния атома цезия-133. До этого она определялась как31 556 925 .9747 секунд в тропическом году 1900. ^[20] В 1997 году Международный комитет мер и весов (МКМВ) добавил, что предыдущее определение относится к атому цезия, находящемуся в состоянии покоя при температуре абсолютного нуля . ^{[21] : 113} После пересмотра СИ 2019 года определение каждой основной единицы , за исключением моля , и почти каждой производной единицы основывается на определении секунды.

Исследователи хронометража в настоящее время работают над созданием еще более стабильного атомного эталона для секунды, планируя найти более точное определение секунды по мере совершенствования атомных часов на основе оптических часов или постоянной Ридберга около 2030 года. ^{[22] [23]}

Достижения метрологии и оптические часы

Часы на решетке иттербия , которые используют фотоны для точного измерения времени

Технологические разработки, такие как лазеры и оптические частотные гребенки в 1990-х годах, привели к повышению точности атомных часов. ^{[24] [25]} Лазеры обеспечивают возможность управления оптическим диапазоном переходов атомных состояний, которые имеют гораздо более высокую частоту, чем у микроволн; в то время как оптическая частотная гребенка измеряет с высокой точностью такие высокочастотные колебания в свете.

Первый шаг вперед за пределы точности цезиевых часов был сделан в NIST в 2010 году с демонстрацией оптических часов с «квантовой логикой», которые использовали ионы алюминия для достижения точности10 ⁻¹⁷ . ^[26] Оптические часы являются очень активной областью исследований в области метрологии, поскольку ученые работают над разработкой часов на основе элементов иттербия , ртути , алюминия и стронция . Ученые из JILA продемонстрировали стронциевые часы с точностью частоты10 ⁻¹⁸ в 2015 году. ^[27] Ученые из NIST разработали квантовые логические часы, которые измерили один ион алюминия в 2019 году с погрешностью частоты9,4 × 10 ⁻¹⁹ . ^{[28] [29]}

В сентябре 2021 года на выставке JILA ученые продемонстрировали оптические стронциевые часы с точностью дифференциальной частоты7,6 × 10−21 между атомными ансамблями ^{[ требуется разъяснение ] ,} разделенными1 мм . ^{[30] [31]} Ожидается, что секунда будет переопределена, когда область оптических часов станет зрелой, где-то в 2030 или 2034 году. ^[32] Для того чтобы это произошло, оптические часы должны быть способны постоянно измерять частоту с точностью, равной или лучшей2 × 10 ⁻¹⁸ . Кроме того, должны быть продемонстрированы методы надежного сравнения различных оптических часов по всему миру в национальных метрологических лабораториях ^{[ необходимо разъяснение ]} , и сравнение должно показывать относительную точность частоты часов на уровне или выше5 × 10−18 .^​

Атомные часы в масштабе чипа

Сердцем миниатюрных атомных часов нового поколения от NIST, тикающих на высоких «оптических» частотах, является эта паровая ячейка на чипе, показанная рядом с кофейным зерном для масштаба.

Помимо повышения точности, разработка атомных часов на чипе расширила число мест, где могут использоваться атомные часы. В августе 2004 года ученые NIST продемонстрировали атомные часы на чипе , которые были в 100 раз меньше обычных атомных часов и имели гораздо меньшее потребление энергии125  мВт . ^{[33] [34]} Атомные часы были размером с рисовое зерно с частотой около 9 ГГц. Эта технология стала коммерчески доступной в 2011 году. [ ^33] Атомные часы в масштабе одного чипа требуют менее 30  милливатт мощности . ^{[35] [36]}

Национальный институт стандартов и технологий создал программу NIST на чипе для разработки компактных способов измерения времени с помощью устройства размером всего несколько миллиметров в поперечнике. ^[37]

В настоящее время (2022) метрологи разрабатывают атомные часы, в которых используются новые разработки, такие как ионные ловушки и оптические гребни, для достижения большей точности. ^[38]

Измерение времени с помощью атомных часов

Часовой механизм

Атомные часы основаны на системе атомов, которые могут находиться в одном из двух возможных энергетических состояний. Группа атомов в одном состоянии подготавливается, затем подвергается микроволновому излучению. Если излучение имеет правильную частоту, некоторое количество атомов перейдет в другое энергетическое состояние . Чем ближе частота к собственной частоте колебаний атомов, тем больше атомов перейдут в состояния. Такая корреляция позволяет очень точно настраивать частоту микроволнового излучения. Как только микроволновое излучение настроено на известную частоту, на которой максимальное количество атомов переключается в состояния, атом и, таким образом, связанная с ним частота перехода могут использоваться в качестве хронометрического осциллятора для измерения прошедшего времени. ^[39]

Все устройства для измерения времени используют колебательные явления для точного измерения времени, будь то вращение Земли для солнечных часов , качание маятника в напольных часах , вибрации пружин и шестеренок в часах или изменения напряжения в кварцевых часах . Однако все они легко подвержены изменениям температуры и не очень точны. Самые точные часы используют атомные вибрации для отслеживания времени. Переходные состояния часов в атомах нечувствительны к температуре и другим факторам окружающей среды, а частота колебаний намного выше, чем у любых других часов (в режиме микроволновой частоты и выше).

Одним из важнейших факторов производительности часов является атомный коэффициент качества линии, Q , который определяется как отношение абсолютной частоты резонанса к ширине линии самого резонанса . Атомный резонанс имеет гораздо более высокую добротность , чем механические устройства. Атомные часы также могут быть изолированы от воздействия окружающей среды в гораздо большей степени. Атомные часы имеют то преимущество, что атомы универсальны, что означает, что частота колебаний также универсальна. Это отличается от кварцевых и механических устройств измерения времени, которые не имеют универсальной частоты. ${\displaystyle \nu _{0}}$ ${\displaystyle \Delta \nu }$

Качество часов можно определить двумя параметрами: точностью и стабильностью. Точность — это измерение степени, в которой можно рассчитывать на соответствие скорости хода часов некоторому абсолютному стандарту, такому как внутренняя сверхтонкая частота изолированного атома или иона. Стабильность описывает, как часы ведут себя при усреднении по времени, чтобы уменьшить влияние шума и других кратковременных колебаний (см. точность ). ^[40]

Нестабильность атомных часов определяется их отклонением Аллана . ^[41] Предельная нестабильность, обусловленная статистикой подсчета атомов или ионов, определяется выражением ${\displaystyle \sigma _{y}(\tau )}$

${\displaystyle \sigma _{y,\,{\rm {atoms}}}(\tau )\approx {\frac {\Delta \nu }{\nu _{0}{\sqrt {N}}}}{\sqrt {\frac {T_{\text{c}}}{\tau }}},}$

где — спектроскопическая ширина линии системы часов, — количество атомов или ионов, используемых в одном измерении, — время, необходимое для одного цикла, — период усреднения. Это означает, что нестабильность меньше, когда ширина линии меньше, а когда ( отношение сигнал/шум ) больше. Стабильность улучшается по мере того, как время , в течение которого усредняются измерения, увеличивается с секунд до часов и дней. На стабильность больше всего влияет частота генератора . Вот почему оптические часы, такие как стронциевые часы (429 терагерц), намного стабильнее цезиевых часов (9,19 ГГц). ${\displaystyle \Delta \nu }$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle T_{\text{c}}}$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle \Delta \nu }$ ${\displaystyle {\sqrt {N}}}$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle \nu _{0}}$

Современные часы, такие как атомные фонтаны или оптические решетки, которые используют последовательный опрос, как обнаружено, генерируют тип шума, который имитирует и добавляет к нестабильности, присущей подсчету атомов или ионов. Этот эффект называется эффектом Дика ^[42] и обычно является основным ограничением стабильности для новых атомных часов. Это эффект наложения спектров; высокочастотные шумовые компоненты в локальном генераторе («ЛО») гетеродинируются до почти нулевой частоты гармониками повторяющегося изменения чувствительности обратной связи к частоте ЛО. Эффект предъявляет новые и строгие требования к ЛО, который теперь должен иметь низкий фазовый шум в дополнение к высокой стабильности, тем самым увеличивая стоимость и сложность системы. Для случая ЛО с шумом частоты мерцания ^[43] , где не зависит от , время опроса равно , и где коэффициент заполнения имеет типичные значения , отклонение Аллана можно аппроксимировать как ^[44] ${\displaystyle \sigma _{y}^{\rm {LO}}(\tau )}$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle T_{i}}$ ${\displaystyle d=T_{i}/T_{c}}$ ${\displaystyle 0.4<d<0.7}$

${\displaystyle \sigma _{y,\,{\rm {Dick}}}(\tau )\approx {\frac {\sigma _{y}^{\rm {LO}}}{\sqrt {2\ln(2)}}}\cdot \left|{\frac {\sin(\pi d)}{\pi d}}\right|\cdot {\sqrt {\frac {T_{c}}{\tau }}}.}$

Это выражение показывает ту же зависимость от , что и , и для многих новых часов значительно больше. Анализ эффекта и его последствий применительно к оптическим стандартам был рассмотрен в крупном обзоре (Ludlow et al., 2015) ^[45] , в котором сетовали на «пагубное влияние эффекта Дика», и в нескольких других работах. ^{[46] [47]} ${\displaystyle T_{c}/{\tau }}$ ${\displaystyle \sigma _{y,\,{\rm {atoms}}}(\tau )}$

Настройка и оптимизация

Ядром традиционных радиочастотных атомных часов является настраиваемая микроволновая полость , содержащая газ. В водородных мазерных часах газ испускает микроволны (газовые мазы ) на сверхтонком переходе, поле в полости колеблется, и полость настраивается на максимальную амплитуду микроволн. Альтернативно, в цезиевых или рубидиевых часах пучок или газ поглощает микроволны, а полость содержит электронный усилитель, чтобы заставить ее колебаться. Для обоих типов атомы в газе готовятся в одном сверхтонком состоянии перед заполнением ими полости. Для второго типа определяется количество атомов, которые изменяют сверхтонкое состояние, и полость настраивается на максимум обнаруженных изменений состояния.

Большая часть сложности часов заключается в этом процессе настройки. Настройка пытается исправить нежелательные побочные эффекты, такие как частоты от других электронных переходов, изменения температуры и разброс частот, вызванный вибрацией молекул, включая доплеровское уширение . ^[48] Один из способов сделать это — развернуть частоту микроволнового генератора в узком диапазоне, чтобы сгенерировать модулированный сигнал на детекторе. Затем сигнал детектора может быть демодулирован , чтобы применить обратную связь для управления долгосрочным дрейфом радиочастоты. ^[49]

Таким образом, квантово-механические свойства частоты атомного перехода цезия могут быть использованы для настройки микроволнового генератора на ту же частоту, за исключением небольшой экспериментальной ошибки . Когда часы включаются впервые, требуется некоторое время для стабилизации генератора. На практике механизм обратной связи и мониторинга гораздо сложнее. ^[50]

Многие из новых часов, включая микроволновые часы, такие как часы с захваченными ионами или фонтанные часы, и оптические часы, такие как решеточные часы, используют последовательный протокол опроса, а не опрос с частотной модуляцией, описанный выше. ^[45] Преимущество последовательного опроса заключается в том, что он может вмещать гораздо более высокие Q, с временем звонка в секунды, а не в миллисекунды. Эти часы также обычно имеют мертвое время , в течение которого атомные или ионные коллекции анализируются, обновляются и приводятся в надлежащее квантовое состояние, после чего они опрашиваются сигналом от локального генератора (ЛО) в течение времени, возможно, секунды или около того. Анализ конечного состояния атомов затем используется для генерации сигнала коррекции, чтобы удерживать частоту ЛО, привязанную к частоте атомов или ионов.

Точность

Историческая точность атомных часов от NIST

Точность атомных часов непрерывно улучшалась с момента появления первого прототипа в 1950-х годах. Первое поколение атомных часов основывалось на измерении атомов цезия, рубидия и водорода. В период с 1959 по 1998 год NIST разработал серию из семи микроволновых часов на цезии-133, названных NBS-1, NBS-6 и NIST-7 после того, как агентство изменило свое название с Национального бюро стандартов на Национальный институт стандартов и технологий. ^[10] Первые часы имели точность10 ⁻¹¹ , а последние часы имели точность10 ⁻¹⁵ . Часы были первыми, в которых использовался цезиевый фонтан , который был представлен Джерродом Захариасом , и лазерное охлаждение атомов, которое было продемонстрировано Дэйвом Уайнлендом и его коллегами в 1978 году.

Следующий шаг в развитии атомных часов предполагает переход от точности10 ⁻¹⁵ с точностью10 ⁻¹⁸ и даже10 ⁻¹⁹ . ^[a] Цель состоит в том, чтобы переопределить секунду, когда часы станут настолько точными, что не будут терять или спешить больше секунды за всю историю Вселенной . ^[b] Чтобы сделать это, ученые должны продемонстрировать точность часов, использующих стронций и иттербий, а также технологию оптической решетки . Такие часы также называются оптическими часами, в которых используемые переходы энергетических уровней находятся в оптическом режиме (что приводит к еще более высокой частоте колебаний), которые, таким образом, имеют гораздо более высокую точность по сравнению с традиционными атомными часами. ^[52]

Цель атомных часов сТочность 10−16 была впервые достигнута в часах с цезиевым фонтаном NPL-CsF2 Национальной физической лаборатории Великобритании ^{[53] [54] [55] и в} NIST-F2 США . ^{[56] [57]} Увеличение точности от NIST-F1 до NIST-F2 обусловлено ^{охлаждением} жидким азотом области взаимодействия микроволн; наибольшим источником неопределенности в NIST-F1 является эффект излучения черного тела от теплых стенок камеры. ^{[58] [4]}

Оценивается производительность первичных и вторичных стандартов частоты, вносящих вклад в Международное атомное время (TAI). Отчеты об оценке отдельных (в основном первичных) часов публикуются в Интернете Международным бюро мер и весов (BIPM).

Сравнение атомных часов

Стандарты времени

Ряд национальных метрологических лабораторий поддерживают атомные часы: в том числе Парижская обсерватория , Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) в Германии, Национальный институт стандартов и технологий (NIST) в Колорадо и Мэриленде , США, JILA в Университете Колорадо в Боулдере , Национальная физическая лаборатория (NPL) в Соединенном Королевстве и Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технической и радиотехнической метрологии . Они делают это, проектируя и создавая стандарты частоты, которые производят электрические колебания на частоте, связь которой с частотой перехода цезия 133 известна, чтобы достичь очень низкой неопределенности. Эти первичные стандарты частоты оценивают и корректируют различные сдвиги частоты, включая релятивистские доплеровские сдвиги , связанные с движением атомов, тепловым излучением окружающей среды ( сдвиг черного тела ) и несколькими другими факторами. Лучшие первичные стандарты в настоящее время производят секунду SI с точностью, приближающейся к неопределенности одной части в10 ¹⁶ .

Важно отметить, что на этом уровне точности нельзя игнорировать различия в гравитационном поле в устройстве. Затем стандарт рассматривается в рамках общей теории относительности, чтобы обеспечить правильное время в определенной точке. ^[59]

Международное бюро мер и весов (BIPM) предоставляет список частот, которые служат вторичными представлениями секунды. Этот список содержит значения частот и соответствующие стандартные неопределенности для микроволнового перехода рубидия и других оптических переходов, включая нейтральные атомы и одиночные захваченные ионы. Эти вторичные стандарты частоты могут быть точными, как одна часть в10 ¹⁸ ; однако неопределенности в списке являются одной частью10 ¹⁴ –10 ^16. Это происходит потому, что неопределенность в центральном цезиевом стандарте, по которому калибруются вторичные стандарты, составляет одну часть в10 ¹⁴ –10 ¹⁶ .

Первичные стандарты частоты могут использоваться для калибровки частоты других часов, используемых в национальных лабораториях. Обычно это коммерческие цезиевые часы, имеющие очень хорошую долговременную стабильность частоты, поддерживающие частоту со стабильностью лучше, чем 1 часть в10 ¹⁴ в течение нескольких месяцев. Неопределенность первичных стандартных частот составляет около одной части в10 ¹³ .

Водородные мазеры , которые основаны на сверхтонком переходе 1,4 ГГц в атомарном водороде, также используются в лабораториях метрологии времени. Мазеры превосходят любые коммерческие цезиевые часы с точки зрения краткосрочной стабильности частоты. В прошлом эти приборы использовались во всех приложениях, которые требовали стабильного эталона в течение периодов времени менее одного дня (стабильность частоты около 1 части из десяти ^{[ необходимо разъяснение ]} для усреднения времени в несколько часов). Поскольку некоторые активные водородные мазеры имеют скромный, но предсказуемый дрейф частоты со временем, они стали важной частью ансамбля коммерческих часов BIPM, которые реализуют международное атомное время. ^[59]

Синхронизация со спутниками

Показания времени часов, работающих в метрологических лабораториях, работающих с BIPM, должны быть известны очень точно. Некоторые операции требуют синхронизации атомных часов, разделенных большими расстояниями в тысячи километров. Глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) обеспечивают удовлетворительное решение проблемы передачи времени. Атомные часы используются для трансляции сигналов времени в Глобальной системе позиционирования США (GPS) , Глобальной навигационной спутниковой системе Российской Федерации (ГЛОНАСС) , системе Galileo Европейского союза и китайской системе BeiDou .

Сигнал, полученный с одного спутника в метрологической лаборатории, оснащенной приемником с точно известным положением, позволяет определить разницу во времени между местной шкалой времени и временем системы GNSS с погрешностью в несколько наносекунд при усреднении за 15 минут. Приемники позволяют одновременно принимать сигналы с нескольких спутников и использовать сигналы, передаваемые на двух частотах. По мере запуска и начала работы большего количества спутников измерения времени будут становиться более точными.

Эти методы сравнения времени должны вносить поправки на эффекты специальной теории относительности и общей теории относительности в несколько наносекунд.

В июне 2015 года Национальная физическая лаборатория (NPL) в Теддингтоне, Великобритания; Французский отдел систем отсчета времени и пространства в Парижской обсерватории (LNE-SYRTE); Немецкий национальный метрологический институт (PTB) в Брауншвейге ; и Итальянский национальный институт метрологических исследований (INRiM) в Турине начали испытания, чтобы повысить точность современных сравнений спутников в 10 раз, но она по-прежнему будет ограничена одной частью из 1. Эти четыре европейские лаборатории разрабатывают и размещают различные экспериментальные оптические часы, которые используют различные элементы в различных экспериментальных установках, и хотят сравнить свои оптические часы друг с другом и проверить, согласуются ли они. ^[60]

Международный хронометраж

Точки данных, представляющие атомные часы по всему миру, которые определяют международное атомное время (TAI)

Национальные лаборатории обычно используют ряд часов. Они работают независимо друг от друга, и их измерения иногда объединяются для создания шкалы, которая более стабильна и точна, чем шкала любых отдельных часов. Эта шкала позволяет сравнивать время между различными часами в лаборатории. Эти атомные шкалы времени обычно называются TA(k) для лабораторного k. ^[61]

Всемирное координированное время (UTC) является результатом сравнения часов в национальных лабораториях по всему миру с Международным атомным временем (TAI), а затем добавления дополнительных секунд по мере необходимости. TAI представляет собой средневзвешенное значение примерно 450 часов в 80 учреждениях времени. ^[62] Относительная стабильность TAI составляет около одной части в10 ¹⁶ .

Перед публикацией TAI частота результата сравнивается с секундой SI на различных первичных и вторичных стандартах частоты. Это требует применения релятивистских поправок к местоположению первичного стандарта, которые зависят от расстояния между равным гравитационным потенциалом и вращающимся геоидом Земли. Значения вращающегося геоида и TAI немного меняются каждый месяц и доступны в публикации BIPM Circular T. Шкала времени TAI откладывается на несколько недель, поскольку вычисляется среднее значение атомных часов по всему миру.

TAI не распространяется в повседневном хронометрировании. Вместо этого целое число секунд координации добавляется или вычитается для коррекции вращения Земли, создавая UTC. Число секунд координации изменяется таким образом, чтобы средний солнечный полдень на нулевом меридиане (Гринвич) не отклонялся от полудня UTC более чем на 0,9 секунды.

Национальные метрологические учреждения поддерживают приближение UTC, называемое UTC(k) для лаборатории k. UTC(k) распространяется Консультативным комитетом по времени и частоте BIPM. Смещение UTC-UTC(k) рассчитывается каждые 5 дней, результаты публикуются ежемесячно. Атомные часы регистрируют UTC(k) с точностью не более 100 наносекунд. В некоторых странах UTC(k) является законным временем, которое распространяется по радио, телевидению, телефону, Интернету, оптоволоконным кабелям , передатчикам сигналов точного времени и говорящим часам. Кроме того, GNSS предоставляет информацию о времени с точностью до нескольких десятков наносекунд или лучше.

Волоконная оптика

На следующем этапе эти лаборатории стремятся передавать сигналы сравнения в видимом спектре через оптоволоконные кабели. Это позволит сравнивать их экспериментальные оптические часы с точностью, аналогичной ожидаемой точности самих оптических часов. Некоторые из этих лабораторий уже установили оптоволоконные линии связи, и испытания начались на участках между Парижем и Теддингтоном, а также Парижем и Брауншвейгом. Оптоволоконные линии связи между экспериментальными оптическими часами также существуют между американской лабораторией NIST и ее партнерской лабораторией JILA , обе в Боулдере, штат Колорадо, но они охватывают гораздо более короткие расстояния, чем европейская сеть, и находятся всего между двумя лабораториями. По словам Фрица Риле, физика из PTB, «Европа находится в уникальном положении, поскольку имеет высокую плотность лучших часов в мире». ^[60]

В августе 2016 года французский LNE-SYRTE в Париже и немецкий PTB в Брауншвейге сообщили о сравнении и согласовании двух полностью независимых экспериментальных оптических часов на стронциевой решетке в Париже и Брауншвейге с погрешностью5 × 10 ⁻¹⁷ через недавно созданную фазово-когерентную частотную линию, соединяющую Париж и Брауншвейг, используя 1415  км (879  миль ) телекоммуникационного оптоволоконного кабеля. Дробная неопределенность всей линии была оценена как2,5 × 10 ⁻¹⁹ , что делает возможным сравнение даже более точных часов. ^{[63] [64]}

В 2021 году NIST сравнил передачу сигналов от ряда экспериментальных атомных часов, расположенных на расстоянии около 1,5  км (1  мили ) друг от друга в лаборатории NIST, ее партнерской лаборатории JILA и Университете Колорадо в Боулдере, штат Колорадо, по воздуху и оптоволоконному кабелю с точностью8 × 10 ⁻¹⁸ . ^{[65] [66]}

Микроволновые атомные часы

Цезий

Секунда СИ определяется как определенное число невозмущенных сверхтонких переходов основного состояния атома цезия-133. Поэтому цезиевые стандарты считаются первичными стандартами времени и частоты.

К цезиевым часам относятся часы NIST-F1 , разработанные в 1999 году, и часы NIST-F2 , разработанные в 2013 году. ^{[67] [68]}

Цезий обладает несколькими свойствами, которые делают его хорошим выбором для атомных часов. В то время как атом водорода движется со скоростью 1600 м/с при комнатной температуре, а атом азота движется со скоростью 510 м/с, атом цезия движется с гораздо меньшей скоростью 130 м/с из-за его большей массы. ^{[69] [10]} Сверхтонкая частота цезия (~9,19 ГГц) также выше, чем у других элементов, таких как рубидий (~6,8 ГГц) и водород (~1,4 ГГц). ^[10] Высокая частота цезия позволяет проводить более точные измерения. Референтные трубки цезия, подходящие для национальных стандартов, в настоящее время служат около семи лет и стоят около 35 000 долларов США. Первичные стандарты частоты и времени, такие как атомные часы Стандарта времени США, NIST-F1 и NIST-F2, используют гораздо большую мощность. ^{[34] [70] [71] [72]}

Блок-схема

Упрощенная структурная схема типичного коммерческого эталона частоты цезиевого пучка

В опорной частоте цезиевого пучка сигналы синхронизации получаются из высокостабильного кварцевого генератора с управляемым напряжением (VCXO), который настраивается в узком диапазоне. Выходная частота VCXO (обычно 5 МГц) умножается на синтезатор частоты для получения микроволн на частоте сверхтонкого перехода атома цезия (около9 192 .6317 МГц ). Выходной сигнал синтезатора частоты усиливается и подается в камеру, содержащую цезиевый газ, который поглощает микроволны. Выходной ток цезиевой камеры увеличивается по мере увеличения поглощения.

Остальная часть схемы просто регулирует рабочую частоту VCXO, чтобы максимизировать выходной ток цезиевой камеры, что позволяет генератору быть настроенным на резонансную частоту сверхтонкого перехода. ^[73]

Рубидий

Группа летчиков ВВС США несет рубидиевые часы.

BIPM определяет невозмущенную частоту сверхтонкого перехода основного состояния атома рубидия-87, 6 834 682 610,904 312 6 Гц, в терминах частоты цезиевого стандарта. Поэтому атомные часы, основанные на рубидиевых стандартах, рассматриваются как вторичные представления секунды.

Рубидиевые стандартные часы ценятся за свою низкую стоимость и небольшие размеры (коммерческие стандарты имеют размеры всего1,7 × 10 ⁵  мм ³ ) ^[33] и краткосрочную стабильность. Они используются во многих коммерческих, портативных и аэрокосмических приложениях. Современные стандартные рубидиевые трубки служат более десяти лет и могут стоить всего 50 долларов США. Некоторые коммерческие приложения используют стандарт рубидия, периодически корректируемый приемником глобальной системы позиционирования (см. Дисциплинированный осциллятор GPS ). Это обеспечивает превосходную краткосрочную точность, с долгосрочной точностью, равной (и прослеживаемой) национальным стандартам времени США. ^[74]

Водород

Водородный мазер

BIPM определяет невозмущенную частоту оптического перехода нейтрального атома водорода-1, 1 233 030 706 593 514 Гц, в терминах частоты цезиевого стандарта. Поэтому атомные часы, основанные на водородных стандартах, рассматриваются как вторичные представления секунды.

Водородные мазеры имеют превосходную краткосрочную стабильность по сравнению с другими стандартами, но более низкую долгосрочную точность. Долгосрочная стабильность стандартов водородных мазеров уменьшается из-за изменений свойств полости с течением времени. Относительная погрешность водородных мазеров составляет 5 × 10−16 ^для периодов 1000 секунд. Это делает водородные мазеры хорошими для радиоастрономии , в частности для интерферометрии с очень длинной базой . ^[6]

Водородные мазеры используются для маховиков в охлаждаемых лазером атомных стандартах частоты и для трансляции сигналов времени из национальных лабораторий стандартов, хотя их необходимо корректировать, поскольку они со временем отходят от правильной частоты. Водородный мазер также полезен для экспериментальных испытаний эффектов специальной теории относительности и общей теории относительности, таких как гравитационное красное смещение . ^[6]

Другие типы атомных часов

Экспериментальные оптические часы на основе стронция

Квантовые часы

В марте 2008 года физики из NIST описали квантовые логические часы, основанные на отдельных ионах бериллия и алюминия . Эти часы сравнивали с ртутными ионными часами NIST. Это были самые точные часы, которые были сконструированы, при этом ни часы не спешат и не отстают со скоростью, которая превысит секунду за миллиард лет. ^[75] В феврале 2010 года физики из NIST описали вторую, улучшенную версию квантовых логических часов, основанных на отдельных ионах магния и алюминия. Считались самыми точными часами в мире в 2010 году с дробной погрешностью частоты8,6 × 10 ⁻¹⁸ , он обеспечивает точность, превышающую оригинал более чем в два раза. ^{[76] [77]}

В июле 2019 года ученые NIST продемонстрировали такие квантовые логические часы Al ⁺ с полной погрешностью9,4 × 10 ⁻¹⁹ , что является первой демонстрацией таких часов с погрешностью ниже 10⁻¹⁸ и остаются самыми точными часами в мире. ^{[78] [79] [80]}

Точность экспериментальных квантовых часов с тех пор была вытеснена экспериментальными оптическими решеточными часами на основе стронция-87 ^[81] и иттербия-171 . ^[82]

Концепция ядерных часов

Одна из теоретических возможностей улучшения работы атомных часов заключается в использовании ядерного энергетического перехода (между различными ядерными изомерами ) вместо атомных электронных переходов , которые измеряют современные атомные часы. Большинство ядерных переходов работают на слишком высокой частоте, чтобы их можно было измерить, но исключительно низкая энергия возбуждения^229м
Чт
производит " гамма-лучи " в ультрафиолетовом диапазоне частот. В 2003 году Эккехард Пейк и Кристиан Тамм ^[83] отметили, что это делает возможным создание часов с использованием современных оптических методов измерения частоты. В 2012 году было показано, что ядерные часы, основанные на одном²²⁹
Чт³⁺
ион может обеспечить общую дробную погрешность частоты1,5 × 10 ⁻¹⁹ , что лучше, чем существующая технология оптических атомных часов 2019 года. ^[84] Хотя точные часы остаются нереализованной теоретической возможностью, усилия 2010-х годов по измерению энергии перехода ^{[85] [86] [87] [88]} увенчались измерением оптической частоты в 2024 году с достаточной точностью (2 020 407 384 335 ± 2 кГц =2,020 407 384 335 (2) × 10 ¹⁵  Гц ^{[89] [90] [91] [92]} ) что экспериментальные оптические ядерные часы теперь могут быть построены. ^[93]

Хотя нейтральный^229м
Чт
атомы распадаются за микросекунды путем внутреннего преобразования , ^[94] этот путь энергетически запрещен в^229м
Чт⁺
ионы, так как вторая и более высокая энергия ионизации больше энергии ядерного возбуждения, что дает^229м
Чт⁺
ионы имеют длительный период полураспада порядка10 ³  с . ^[90] Именно большое соотношение между частотой перехода и временем жизни изомера обеспечивает часам высокий коэффициент качества . ^[84]

Переход на ядерную энергетику имеет следующие потенциальные преимущества: ^[95]

1. Более высокая частота. При прочих равных условиях более высокочастотный переход обеспечивает большую стабильность по простым статистическим причинам (флуктуации усредняются по большему количеству циклов).
2. Нечувствительность к воздействию окружающей среды. Благодаря своему малому размеру и экранирующему эффекту окружающих электронов, атомное ядро ​​гораздо менее чувствительно к окружающим электромагнитным полям, чем электрон на орбитали.
3. Большее количество атомов. Из-за вышеупомянутой нечувствительности к окружающим полям нет необходимости иметь атомы часов, хорошо разделенные в разбавленном газе. Текущие измерения используют эффект Мёссбауэра и помещают ионы тория в твердое тело, что позволяет опрашивать миллиарды атомов.

Потенциал для переопределения второго

В 2022 году лучшая реализация секунды будет сделана с помощью цезиевых первичных стандартных часов, таких как IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU–CsFO2 или SYRTE-FO2. Эти часы работают путем лазерного охлаждения облака атомов цезия до микрокельвина в магнитооптической ловушке. Затем эти холодные атомы запускаются вертикально лазерным светом. Затем атомы подвергаются возбуждению Рамсея в микроволновой полости. Затем фракция возбужденных атомов обнаруживается лазерными лучами. Эти часы имеют5 × 10 ⁻¹⁶ систематическая неопределенность, что эквивалентно 50 пикосекундам в день. Система из нескольких фонтанов по всему миру вносит свой вклад в Международное атомное время. Эти цезиевые часы также лежат в основе оптических измерений частоты.

Преимущество оптических часов можно объяснить утверждением, что нестабильность , где - нестабильность, f - частота, а S / N - отношение сигнал/шум. Это приводит к уравнению . ${\displaystyle \sigma \propto {\frac {\Delta f}{f}}{\frac {1}{S/N}}}$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \sigma (\tau )={\frac {1}{2\pi f{\sqrt {NT_{int}\tau }}}}}$

Оптические часы основаны на запрещенных оптических переходах в ионах или атомах. Они имеют частоты около10 ¹⁵  Гц , с естественной шириной линии , как правило, 1 Гц, поэтому добротность составляет около ${\displaystyle \Delta f}$10 ¹⁵ или даже выше. Они имеют лучшую стабильность, чем микроволновые часы, что означает, что они могут облегчить оценку более низких неопределенностей. Они также имеют лучшее временное разрешение, что означает, что часы «тикают» быстрее. ^[96] Оптические часы используют либо один ион, либо оптическую решетку с10 ⁴ –106 ^атомов .

постоянная Ридберга

Определение, основанное на постоянной Ридберга, подразумевает фиксацию значения на определенном значении: . Постоянная Ридберга описывает уровни энергии в атоме водорода с нерелятивистским приближением . ${\displaystyle R_{\infty }={\frac {m_{e}e^{4}}{8\varepsilon _{0}^{2}h^{3}c}}={\frac {m_{e}c\alpha ^{2}}{2h}}}$ ${\displaystyle E_{n}\approx -{\frac {R_{\infty }ch}{n^{2}}}}$

Единственный жизнеспособный способ исправить постоянную Ридберга — это захватить и охладить водород. К сожалению, это сложно, потому что он очень легкий, а атомы движутся очень быстро, вызывая доплеровские смещения. Излучение, необходимое для охлаждения водорода —121,5 нм — также сложно. Другое препятствие связано с улучшением неопределенности в квантовой электродинамике /QED расчетах. ^[97]

В отчете 25-го заседания Консультативного комитета по единицам (2021 г.) ^[98] были рассмотрены 3 варианта переопределения секунды где-то около 2026, 2030 или 2034 года. Первый рассмотренный подход к переопределению представлял собой определение, основанное на одном атомном опорном переходе. Второй рассмотренный подход к переопределению представлял собой определение, основанное на наборе частот. Третий рассмотренный подход к переопределению представлял собой определение, основанное на фиксации числового значения фундаментальной константы, например, сделав постоянную Ридберга основой для определения. Комитет пришел к выводу, что не существует осуществимого способа переопределить секунду с помощью третьего варианта, поскольку в настоящее время ни одна физическая константа не известна с достаточной точностью, чтобы можно было реализовать секунду с помощью константы.

Требования

Переопределение должно включать улучшенную надежность оптических часов. TAI должен быть дополнен оптическими часами до того, как BIPM утвердит переопределение. Последовательный метод отправки сигналов, такой как волоконно-оптический , должен быть разработан до того, как секунда будет переопределена. ^[97]

Вторичные представления второго

Представления секунды, отличные от цезиевого стандарта СИ, мотивированы растущей точностью других атомных часов. В частности, высокие частоты и малая ширина линий оптических часов обещают значительно улучшенное отношение сигнал/шум и нестабильность. Дальнейшие вторичные представления помогли бы в подготовке будущего переопределения секунды ^[99]

Список частот, рекомендуемых для вторичных представлений секунды, поддерживается Международным бюро мер и весов (BIPM) с 2006 года и доступен онлайн. Список содержит значения частот и соответствующие стандартные неопределенности для микроволнового перехода рубидия и для нескольких оптических переходов. Эти вторичные стандарты частоты имеют точность на уровне 10⁻¹⁸ ; однако неопределенности, указанные в списке, находятся в диапазоне 10⁻¹⁴ – 10⁻¹⁵ , поскольку они ограничены привязкой к первичному стандарту цезия, который в настоящее время (2018 г.) определяет секунду. ^[59]

Экспериментальные атомные часы двадцать первого века, которые обеспечивают нецезиевые вторичные представления секунды, становятся настолько точными, что они, вероятно, будут использоваться как чрезвычайно чувствительные детекторы для других вещей, помимо измерения частоты и времени. Например, частота атомных часов немного изменяется под действием гравитации, магнитных полей, электрических полей, силы, движения, температуры и других явлений. Экспериментальные часы, как правило, продолжают совершенствоваться, и лидерство в производительности переходило то вперед, то назад между различными типами экспериментальных часов. ^{[111] [112] [113] [114]}

Приложения

Развитие атомных часов привело ко многим научным и технологическим достижениям, таким как точные глобальные и региональные навигационные спутниковые системы и приложения в Интернете , которые критически зависят от стандартов частоты и времени. Атомные часы устанавливаются в местах расположения радиопередатчиков сигналов времени . ^[115] Они используются на некоторых длинноволновых и средневолновых вещательных станциях для передачи очень точной несущей частоты. ^[116] Атомные часы используются во многих научных дисциплинах, таких как для интерферометрии с длинной базой в радиоастрономии . ^[117]

Глобальные навигационные спутниковые системы

Система глобального позиционирования (GPS), эксплуатируемая Космическими силами США, обеспечивает очень точные сигналы синхронизации и частоты. Приемник GPS работает, измеряя относительную задержку сигналов от минимум четырех, но обычно больше, спутников GPS, каждый из которых имеет на борту по крайней мере два цезиевых и до двух рубидиевых атомных часов. Относительное время математически преобразуется в три абсолютные пространственные координаты и одну абсолютную временную координату. ^[118] Время GPS (GPST) представляет собой непрерывную шкалу времени и теоретически имеет точность около 14 наносекунд . ^[119] Однако большинство приемников теряют точность при интерпретации сигналов и имеют точность только до 100 наносекунд. ^{[120] [121]}

GPST связан с TAI (международное атомное время) и UTC (всемирное координированное время), но отличается от них. GPST сохраняет постоянное смещение относительно TAI (TAI – GPST = 19 секунд) и, как и TAI, не реализует високосные секунды . Периодические корректировки выполняются в бортовых часах спутников, чтобы поддерживать их синхронизацию с наземными часами. ^{[122] [123]} Навигационное сообщение GPS включает разницу между GPST и UTC. По состоянию на июль 2015 года GPST опережает UTC на 17 секунд из-за високосной секунды, добавленной к UTC 30 июня 2015 года. ^{[124] [125]} Приемники вычитают это смещение из времени GPS для расчета UTC.

Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС), эксплуатируемая российскими Войсками воздушно-космической обороны, представляет собой альтернативу системе глобальной системы позиционирования (GPS) и является второй действующей навигационной системой с глобальным покрытием и сопоставимой точностью. Время ГЛОНАСС (ГЛОНАСССТ) генерируется центральным синхронизатором ГЛОНАСС и обычно имеет точность более 1000 наносекунд. ^[126] В отличие от GPS, шкала времени ГЛОНАСС реализует високосные секунды, как и UTC. ^[127]

Пассивный космический водородный мазер, используемый в спутниках ESA Galileo в качестве главных часов для бортовой системы синхронизации

Глобальная навигационная спутниковая система Galileo управляется Европейским агентством GNSS и Европейским космическим агентством . Galileo начала предлагать глобальные ранние оперативные возможности (EOC) 15 декабря 2016 года, предоставив третью и первую невоенную глобальную навигационную спутниковую систему. ^{[128] [129]} Системное время Galileo (GST) — это непрерывная шкала времени, которая генерируется на земле в Центре управления Galileo в Фучино, Италия, с помощью Precise Timing Facility на основе средних значений различных атомных часов и поддерживается Центральным сегментом Galileo и синхронизируется с TAI с номинальным смещением менее 50 наносекунд. ^{[130] [131] [132] [129]} По данным Европейского агентства GNSS, Galileo обеспечивает точность синхронизации в 30 наносекунд. ^[133]

В квартальном отчете за март 2018 года Европейского центра обслуживания ГНСС сообщается, что точность службы распространения времени UTC составила ≤ 7,6 наносекунд, вычисленная путем накопления выборок за предыдущие 12 месяцев, и превысила целевой показатель ≤ 30 нс. ^{[134] [135]} Каждый спутник Galileo имеет два пассивных водородных мазера и двое рубидиевых атомных часов для бортового отсчета времени. ^{[136] [137]}

Навигационное сообщение Galileo включает различия между GST, UTC и GPST для обеспечения совместимости. ^{[138] [139]} Летом 2021 года Европейский союз остановился на пассивном водородном мазере для второго поколения спутников Galileo, которое начнет работу в 2023 году, с ожидаемым сроком службы 12 лет на спутник. Мазеры имеют длину около 2 футов и вес 40 фунтов. ^[140]

Спутниковая навигационная система BeiDou -2/BeiDou-3 эксплуатируется Китайским национальным космическим управлением . Время BeiDou (BDT) представляет собой непрерывную шкалу времени, начинающуюся с 1 января 2006 года в 0:00:00 UTC и синхронизированную с UTC в пределах 100 нс. ^{[141] [142]} BeiDou начала функционировать в Китае в декабре 2011 года с использованием 10 спутников ^[143] и начала предлагать услуги клиентам в Азиатско-Тихоокеанском регионе в декабре 2012 года. ^[144] 27 декабря 2018 года навигационная спутниковая система BeiDou начала предоставлять глобальные услуги с заявленной точностью синхронизации 20 нс. ^[145] Последний, 35-й, спутник BeiDou-3 для глобального покрытия был запущен на орбиту 23 июня 2020 года. ^[146]

Экспериментальные космические часы

В апреле 2015 года НАСА объявило, что планирует развернуть в космосе атомные часы Deep Space Atomic Clock (DSAC), миниатюрные, сверхточные ртутно-ионные атомные часы. НАСА заявило, что DSAC будут намного стабильнее других навигационных часов. ^[147] Часы были успешно запущены 25 июня 2019 года, ^[148] активированы 23 августа 2019 года ^[149] и деактивированы два года спустя, 18 сентября 2021 года. ^[150]

Военное использование

В 2022 году DARPA объявило о программе модернизации систем хронометража армии США для обеспечения большей точности с течением времени, когда датчики не будут иметь доступа к спутникам GPS, с планом достичь точности в 1 часть10 ^12. Надежная оптическая сеть часов будет обеспечивать баланс между удобством использования и точностью, поскольку она разрабатывалась в течение 4 лет. ^{[151] [152]}

Радиопередатчики сигналов времени

Радиочасы — это часы, которые автоматически синхронизируются с помощью радиосигналов времени, принимаемых радиоприемником . Некоторые производители могут называть радиочасы атомными часами, ^[153] потому что радиосигналы, которые они получают, исходят от атомных часов. Обычные недорогие потребительские приемники, которые полагаются на амплитудно-модулированные сигналы времени, имеют практическую погрешность точности ± 0,1 секунды. Этого достаточно для многих потребительских приложений. ^[153] Приемники времени инструментального класса обеспечивают более высокую точность. Радиочасы имеют задержку распространения приблизительно 1  мс на каждые 300 километров (186 миль) расстояния от радиопередатчика . Многие правительства используют передатчики для целей хронометража. ^[154]

Общая теория относительности

Общая теория относительности предсказывает, что часы идут медленнее на большей глубине в гравитационном поле, и этот эффект гравитационного красного смещения был хорошо задокументирован. Атомные часы эффективны при проверке общей теории относительности на все меньших масштабах. Проект по наблюдению за двенадцатью атомными часами с 11 ноября 1999 года по октябрь 2014 года привел к дальнейшей демонстрации того, что общая теория относительности Эйнштейна точна на малых масштабах. ^[155]

В 2021 году группа ученых из JILA измерила разницу в ходе времени, вызванную гравитационным красным смещением между двумя слоями атомов, разделенными одним миллиметром, с помощью стронциевых оптических часов, охлажденных до 100 нанокельвинов с точностью7,6 × 10 ⁻²¹ секунд. ^[156] Учитывая квантовую природу времени и тот факт, что время является релятивистской величиной, атомные часы можно использовать для того, чтобы увидеть, как на время одновременно влияют общая теория относительности и квантовая механика . ^{[157] [158]}

Финансовые системы

Атомные часы ведут точные записи транзакций между покупателями и продавцами с точностью до миллисекунды или лучше, особенно в высокочастотной торговле . ^{[159] [160]} Точный хронометраж необходим для предотвращения незаконной торговли заранее, а также для обеспечения справедливости для трейдеров на другой стороне земного шара. Текущая система, известная как NTP, имеет точность только до миллисекунды. ^[161]

Переносные оптические часы

Многие из самых точных оптических часов имеют большие размеры и доступны только в крупных метрологических лабораториях. Таким образом, они не очень полезны для ограниченных по пространству заводов или других промышленных сред, которые могли бы использовать атомные часы для точности GPS.

Исследователи разработали стронциевые оптические решетчатые часы, которые можно перемещать в автомобильном прицепе с кондиционером. Они достигли относительной неопределенности7,4 × 10−17 по сравнению со стационарным. ^{[ 162]}

Смотрите также

• Портал электроники

• стандарт цезия
• Дрейф часов
• Эффект Дика
• Список атомных часов
• Сетевой протокол времени
• Оптические часы
• Первичные атомные эталонные часы в космосе
• Пульсарные часы
• Говорящие часы
• Метрология времени
• Перевод времени

Пояснительные записки

1. Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон продемонстрировали часы, которые не потеряют ни секунды за 300 миллиардов лет. ^[51]
2. Одна секунда за 13,8 миллиарда лет, возраст Вселенной, с точностью2,3 × 10−18 .^​

Ссылки

1. "USNO Master Clock". Архивировано из оригинала 7 декабря 2010 года . Получено 23 ноября 2010 года .
2. Брамфилд, Джефф (27 ноября 2022 г.). «Мир отказывается от дополнительной секунды». Weekend Edition Sunday . National Public Radio . Получено 30 апреля 2024 г.
3. "NIST запускает новый стандарт времени США: атомные часы NIST-F2". NIST . 3 апреля 2014 г. – через www.nist.gov.
4. Thomas P. Heavner; Elizabeth A. Donley; Filippo Levi; Giovanni Costanzo; Thomas E. Parker; Jon H. Shirley; Neil Ashby; Stephan Barlow; Steven R. Jefferts (май 2014 г.). "First Accuracy Evaluation of NIST-F2" (PDF) . Metrologia . 51 (3): 174–182. doi :10.1088/0026-1394/51/3/174. В настоящее время дробная неопределенность типа B в NIST-F1 составляет0,31 × 10−15 и определяется неопределенностью поправки на сдвиг излучения черного тела (BBR), которая ^равна0,28 × 10 ⁻¹⁵ (это соответствует неопределенности в 1 градус в радиационной среде, как это видят атомы в NIST-F1). Чтобы улучшить работу первичного стандарта частоты NIST, мы стремились уменьшить неопределенность, вызванную эффектом BBR. Чтобы достичь этой цели и лучше понять принятую модель сдвига BBR, мы разработали NIST-F2, охлаждаемый лазером Cs-фонтан первичный стандарт частоты, в котором микроволновая структура резонатора и пролетная труба работают при криогенных температурах (80 К ).
5. Рэмси, Норман Ф. (июнь 2006 г.). «История ранних атомных часов». Metrologia . 42 (3): S1–S3. doi :10.1088/0026-1394/42/3/s01. ISSN  0026-1394. S2CID  122631200.
6. Achard, F. (2005), "Джеймс Клерк Максвелл, Трактат об электричестве и магнетизме, первое издание (1873)", Landmark Writings in Western Mathematics 1640–1940 , Elsevier, стр. 564–587, doi :10.1016/b978-044450871-3/50125-x, ISBN 9780444508713, получено 20 июня 2022 г.
7. "Вехи: Первые атомные часы, 1948". ETHW . 14 июня 2022 . Получено 20 июня 2022 .
8. Раби, II (15 апреля 1937 г.). «Квантование пространства в вращающемся магнитном поле». Physical Review . 51 (8): 652–654. Bibcode : 1937PhRv...51..652R. doi : 10.1103/physrev.51.652. ISSN  0031-899X.
9. Раби, II; Захариас, JR; Миллман, S.; Куш, P. (15 февраля 1938 г.). «Новый метод измерения ядерного магнитного момента». Physical Review . 53 (4): 318. Bibcode : 1938PhRv...53..318R. doi : 10.1103/physrev.53.318 . ISSN  0031-899X.
10. Lombardi, MA; Heavner, TP; Jefferts, SR (2007). "NIST Primary Frequency Standards and the Realization of the SI Second" (PDF) . Journal of Measurement Science . 2 (4): 74–89. Архивировано (PDF) из оригинала 12 февраля 2021 г. . Получено 24 октября 2009 г. .
11. Салливан, ДБ (2001). Измерение времени и частоты в NIST: первые 100 лет (PDF) . Международный симпозиум IEEE по управлению частотой. NIST . стр. 4–17. Архивировано (PDF) из оригинала 29 декабря 2019 г. . Получено 1 мая 2018 г. .
12. Эссен, Л.; Парри, Дж. В. Л. (1955). «Атомный стандарт частоты и временного интервала: цезиевый резонатор». Nature . 176 (4476): 280–282. Bibcode : 1955Natur.176..280E. doi : 10.1038/176280a0. S2CID  4191481.
13. "60 лет атомным часам". Национальная физическая лаборатория . Архивировано из оригинала 17 октября 2017 года . Получено 17 октября 2017 года .
14. Эссен, Л.; Парри, Дж. В. Л. (1955). «Атомный стандарт частоты и временного интервала: цезиевый резонатор». Nature . 176 (4476): 280. Bibcode : 1955Natur.176..280E. doi : 10.1038/176280a0. S2CID  4191481.стр.280.
15. "Президент Пиньера получает первые атомные часы ESO". Объявление ESO . 15 ноября 2013 г. Архивировано из оригинала 1 апреля 2014 г. Получено 20 ноября 2013 г.
16. Ramsey, NF (сентябрь 1983 г.). «История атомных часов». Журнал исследований Национального бюро стандартов . 88 (5): 301–320. doi :10.6028/jres.088.015. ISSN  0160-1741. PMC 6768155. PMID 34566107  . 
17. "Paper 1.15: "Experiments with Separated Oscillatory Fields and Hydrogen Masers," (Нобелевская лекция), NF Ramsey, Les Prix Nobel (1989, The Nobel Foundation) и Rev. Mod. Phys. 62, 541–552 (1990)", Spectroscopy With Coherent Radiation , World Scientific Series in 20th Century Physics, т. 21, WORLD SCIENTIFIC, стр. 115–127, июнь 1998 г., doi : 10.1142/9789812795717_0015, ISBN 978-981-02-3250-4, получено 20 июня 2022 г.
18. Хеллвиг, Хельмут; Эвенсон, Кеннет М.; Уайнленд, Дэвид Дж. (декабрь 1978 г.). «Время, частота и физические измерения». Physics Today . 31 (12): 23–30. Bibcode : 1978PhT....31l..23H. doi : 10.1063/1.2994867. ISSN  0031-9228.
19. Форман, Пол (1998). «Атомихрон: атомные часы от концепции до коммерческого продукта». Архивировано из оригинала 21 октября 2007 года . Получено 16 февраля 2022 года .
20. Маккарти, ДД ; Зайдельман, П.К. (2009). ВРЕМЯ — От вращения Земли до атомной физики . Weinheim: Wiley-VCH. С. 191–195. ISBN 978-3-527-40780-4.
21. Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), ISBN 92-822-2213-6, заархивировано (PDF) из оригинала 4 июня 2021 г. , извлечено 16 декабря 2021 г.
22. Фокс, Алекс. «Новые атомные часы могут когда-нибудь переопределить длительность секунды». Smithsonian Magazine . Получено 16 февраля 2022 г.
23. Лодевик, Жером (16 сентября 2019 г.). «Об определении секунды СИ с помощью набора переходов оптических часов». Metrologia . 56 (5) 055009. arXiv : 1911.05551 . Bibcode : 2019Metro..56e5009L. doi : 10.1088/1681-7575/ab3a82. ISSN  0026-1394. S2CID  202129810.
24. Ye, J.; Schnatz, H.; Hollberg, LW (2003). "Оптические частотные гребни: от частотной метрологии до оптического фазового управления" (PDF) . IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 9 (4): 1041–1058. Bibcode :2003IJSTQ...9.1041Y. doi :10.1109/JSTQE.2003.819109. Архивировано (PDF) из оригинала 6 марта 2016 г. . Получено 25 февраля 2016 г. .
25. NIST (31 декабря 2009 г.). "Оптические частотные гребенки". NIST . Получено 16 февраля 2022 г. .
26. swenson (4 февраля 2010 г.). «Вторые «квантовые логические часы» NIST на основе ионов алюминия теперь являются самыми точными часами в мире». NIST . Получено 21 февраля 2022 г. .
27. Николсон, TL; Кэмпбелл, SL; Хатсон, RB; Марти, GE; Блум, BJ; Макналли, RL; Чжан, W.; Барретт, MD; Сафронова, MS; Страуз, GF; Тью, WL (21 апреля 2015 г.). "Систематическая оценка атомных часов при общей неопределенности 2×10−18". Nature Communications . 6 (1) 6896. arXiv : 1412.8261 . Bibcode :2015NatCo...6.6896N. doi :10.1038/ncomms7896. ISSN  2041-1723. PMC 4411304 . PMID  25898253. 
28. [email protected] (15 июля 2019 г.). "Квантовые логические часы NIST возвращаются к наивысшей производительности". NIST . Получено 21 февраля 2022 г. .
29. Brewer, SM; Chen, J.-S.; Hankin, AM; Clements, ER; Chou, CW; Wineland, DJ; Hume, DB; Leibrandt, DR (15 июля 2019 г.). "Al+27 Quantum-Logic Clock with a Systematic Uncertainty below 10−18". Physical Review Letters . 123 (3) 033201. arXiv : 1902.07694 . doi :10.1103/physrevlett.123.033201. ISSN  0031-9007. PMID  31386450. S2CID  119075546.
30. Ботвелл, Тобиас; Кеннеди, Колин Дж.; Эппли, Александр; Кедар, Друв; Робинсон, Джон М.; Оелкер, Эрик; Старон, Александр; Йе, Джун (16 февраля 2022 г.). «Разрешение гравитационного красного смещения в атомном образце миллиметрового масштаба». Nature . 602 (7897): 420–424. arXiv : 2109.12238 . Bibcode :2022Natur.602..420B. doi :10.1038/s41586-021-04349-7. ISSN  0028-0836. PMID  35173346. S2CID  246902611.
31. «Атомные часы измерили, как общая теория относительности искажает время на миллиметре». Science News . 18 октября 2021 г. . Получено 22 февраля 2022 г. .
32. Димарк, Ноэль; Герцвольф, Марина; Милети, Гаэтано; Бизе, Себастьян; Оутс, Кристофер; Пейк, Эккехард; Калонико, Давиде; Идо, Тецуя; Тавелла, Патриция; Мейнадье, Фредерик (2024). «Дорожная карта по переопределению второго». Метрология . 61 (1): 012001. arXiv : 2307.14141 . дои : 10.1088/1681-7575/ad17d2.
33. "SA.45s CSAC Chip Scale Atomic Clock (архивная версия оригинального pdf)" (PDF) . 2011. Архивировано из оригинала (PDF) 25 мая 2013 года . Получено 12 июня 2013 года .
34. "Chip-Scale Atomic Devices at NIST". NIST . 2007. Архивировано из оригинала 7 января 2008 года . Получено 17 января 2008 года . Доступно онлайн на: NIST.gov. Архивировано 7 января 2021 г. на Wayback Machine
35. Лютвак, Роберт (26–29 ноября 2007 г.). «Атомные часы в масштабе чипа — оценка прототипа». 36-я ежегодная конференция по системам и приложениям точного времени и временных интервалов (PTTI) .
36. [email protected] (2 декабря 2020 г.). «История успеха: атомные часы в масштабе чипа». NIST . Получено 20 июня 2022 г. .
37. [email protected] (11 декабря 2019 г.). "Chip-Scale Clocks". NIST . Получено 21 июня 2022 г. .
38. [email protected] (29 октября 2016 г.). "Ионные оптические часы и прецизионные измерения". NIST . Получено 11 февраля 2022 г. .
39. «Как работают атомные часы?». www.timeanddate.com . Получено 17 февраля 2022 г. .
40. Поли, Н. (2014). «Оптические атомные часы». Ла Ривиста дель Нуово Чименто . 36 (12). arXiv : 1401.2378 . Бибкод : 2013NCimR..36..555P. doi : 10.1393/ncr/i2013-10095-x. S2CID  118430700.
41. Аллан, Дэвид В. Статистика атомных стандартов частоты, стр. 221–230. Труды IEEE, т. 54, № 2, февраль 1966 г.
42. Дик, Г. Дж. (1987). Нестабильность, вызванная локальным генератором в захваченных ионах стандартов частоты (PDF) . Конференция по точному времени и временному интервалу (PTTI). Редондо-Бич.
43. JA Barnes, AR Chi, LS Cutler, DJ Healey, DB Leeson, TE McGunigal, JA Mullen, WL Smith, R. Sydnor, RFC Vessot, GMR Winkler: Характеристика стабильности частоты , Техническое примечание NBS 394, 1970.
44. Сантарелли, Г.; Одуан, К.; Макдисси, А.; Лоран, П.; Дик, Г. Дж.; Клэрон, А. (1998). «Ухудшение стабильности частоты осциллятора, подчиненного периодически опрашиваемому атомному резонатору». Труды IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрикам и управлению частотой . 45 (4): 887–894. doi :10.1109/58.710548. PMID  18244242. S2CID  12303876.
45. Ludlow, AD; Boyd, MM; Ye, Jun; Peik, E.; Schmidt, PO (26 июня 2015 г.). «Оптические атомные часы». Reviews of Modern Physics . 87 (2): 637–701. arXiv : 1407.3493 . Bibcode :2015RvMP...87..637L. doi :10.1103/RevModPhys.87.637. S2CID  119116973.
46. Quessada, A.; Kovacich, RP; Courtillot, I.; Clairon, A.; Santarelli, G.; Lemonde, P. (2 апреля 2003 г.). «Эффект Дика для оптического стандарта частоты». Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics . 5 (2): S150–S154. Bibcode : 2003JOptB...5S.150Q. doi : 10.1088/1464-4266/5/2/373.
47. Westergaard, PG; Lodewyck, J.; Lemonde, P. (март 2010 г.). «Минимизация эффекта Дика в оптических решеточных часах». IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control . 57 (3): 623–628. arXiv : 0909.0909 . doi : 10.1109/TUFFC.2010.1457. PMID  20211780. S2CID  10581032.
48. NIST (декабрь 2007 г.). "Первичные стандарты частоты NIST и реализация секунды SI" (PDF) . NCSL International Measure . 2 : 77.
49. Jain, Pratik; Priya, Priyanka; Ram, TVS; Parikh, KS; Bandi, Thejesh N. (1 декабря 2021 г.). «Цифровой синхронный усилитель для космических рубидиевых атомных часов». Review of Scientific Instruments . 92 (12) 124705. Bibcode : 2021RScI...92l4705J. doi : 10.1063/5.0061727. PMID  34972462. S2CID  245079164.
50. Поли, Н.; Оутс, CW; Гилл, П.; Тино, генеральный менеджер (13 января 2014 г.). «Оптические атомные часы» (PDF) . Ривиста дель Нуово Чименто . 36 (12): 555–624. arXiv : 1401.2378 . Бибкод : 2013NCimR..36..555P. doi : 10.1393/ncr/i2013-10095-x. S2CID  118430700.
51. Университет Висконсин-Мэдисон. «Сверхточные атомные часы готовы к новым физическим открытиям».
52. «Что такое оптические часы и почему они важны?». Революционизировано . 20 июля 2021 г. Получено 20 июля 2021 г.
53. Лаборатория, Национальная физическая лаборатория. «Точность часов фонтана цезия НПЛ еще больше улучшена». phys.org . Получено 20 февраля 2022 г. .
54. «После оценки представлены атомные часы с лучшей в мире долговременной точностью». EurekAlert! . Получено 20 февраля 2022 г. .
55. "2016 становится длиннее с дополнительной секундой, добавленной к обратному отсчету до Нового года | Sci-News.com". Последние новости науки | Sci-News.com . 23 декабря 2016 г. . Получено 20 февраля 2022 г. .
56. Манн, Адам. «Как США построили самые невероятно точные атомные часы в мире». Wired . ISSN  1059-1028 . Получено 15 февраля 2022 г.
57. [email protected] (9 апреля 2019 г.). "Второе: Будущее". NIST . Получено 20 февраля 2022 г. .
58. "NIST запускает новый стандарт времени США: атомные часы NIST-F2". NIST . nist.gov. 3 апреля 2014 г. Архивировано из оригинала 6 апреля 2014 г. Получено 3 апреля 2014 г.
59. "Mise en pratique for the definition of the second in SI" (PDF) . Международное бюро мер и весов . Консультативный комитет по времени и частоте. 20 мая 2019 г.
60. Гибни, Элизабет (2 июня 2015 г.). «Сверхточные атомные часы соревнуются за переопределение времени – хронометристы следующего поколения могут быть проверены только друг против друга». Nature . 522 (7554): 16–17. Bibcode :2015Natur.522...16G. doi : 10.1038/522016a . PMID  26040875.
61. Пояснительное дополнение к циркуляру T BIPM (PDF) , Международное бюро мер и весов , 12 июля 2021 г., архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г. , извлечено 16 июня 2022 г.
62. Ежегодный отчет BIPM о деятельности, связанной со временем (PDF) . Том 15. Международное бюро мер и весов. 2020. С. 9. ISBN 978-92-822-2280-5. ISSN  1994-9405. Архивировано (PDF) из оригинала 14 августа 2021 г. . Получено 16 июня 2022 г. .
63. Потти, Поль-Эрик; Гроше, Гезине (19 августа 2016 г.). «Часовая сеть для геодезии и фундаментальной науки». Nature Communications . 7 : 12443. arXiv : 1511.07735 . Bibcode : 2016NatCo...712443L. doi : 10.1038/ncomms12443. PMC 4980484. PMID  27503795 . 
64. "Оптоволоконная связь открывает новую эру частотно-временной метрологии, 19 августа 2016 г.". Архивировано из оригинала 14 ноября 2016 г. Получено 13 ноября 2016 г.
65. Beloy, Kyle; Bodine, Martha I.; Bothwell, Tobias; Brewer, Samuel M.; Bromley, Sarah L.; Chen, Jwo-Sy; Deschênes, Jean-Daniel; Diddams, Scott A.; Fasano, Robert J.; Fortier, Tara M.; Hassan, Youssef S. (25 марта 2021 г.). «Измерения отношения частот с точностью до 18 цифр с использованием оптической часовой сети». Nature . 591 (7851): 564–569. Bibcode :2021Natur.591..564B. doi :10.1038/s41586-021-03253-4. ISSN  1476-4687. PMID  33762766. S2CID  232355391.
66. [email protected] (24 марта 2021 г.). «Команда NIST сравнивает 3 лучших атомных часа с рекордной точностью по оптоволокну и воздуху». NIST . Получено 16 февраля 2022 г. .
67. swenson (29 декабря 1999 г.). "Часы фонтана цезия NIST-F1". NIST . Получено 19 февраля 2022 г. .
68. mweiss (26 августа 2009 г.). "NIST-F1 Cesium Fountain Atomic Clock". NIST . Получено 19 февраля 2022 г. .
69. "Температура и кинетическая энергия – Ответы". www.grc.nasa.gov . Получено 19 февраля 2022 г. .
70. "NIST запускает новый стандарт времени США: атомные часы NIST-F2". NIST . 3 апреля 2014 г. Архивировано из оригинала 19 августа 2016 г. Получено 13 июля 2017 г.
71. Университет Ланкастера (11 мая 2021 г.). «Эксперимент с часами показывает фундаментальную связь между потреблением энергии и точностью». SciTechDaily . Получено 16 февраля 2022 г. .
72. Vleugels, Anouk (23 мая 2021 г.). «Новый эксперимент: часы, потребляющие больше энергии, точнее… из-за термодинамики». TNW | Science . Получено 16 февраля 2022 г.
73. "Эталонный источник частоты цезиевого пучка для суровых условий" (PDF) . Получено 24 февраля 2022 г.
74. Национальная физическая лаборатория (2019). "OC18". Национальная физическая лаборатория.
75. Свенсон, Гейл (7 июня 2010 г.). "Пресс-релиз: NIST 'Quantum Logic Clock' Rivals Mercury Ion as World's Most Accurate Clock". NIST . Архивировано из оригинала 2 июня 2017 г. . Получено 27 июля 2017 г. .
76. Вторые «квантовые логические часы» NIST на основе ионов алюминия теперь являются самыми точными часами в мире. Архивировано 5 сентября 2010 г. на Wayback Machine , NIST, 4 февраля 2010 г.
77. Chou, CW; Hume, D.; Koelemeij, JCJ; Wineland, DJ & Rosenband, T. (17 февраля 2010 г.). "Frequency Comparison of Two High-Accuracy Al+ Optical Clocks" (PDF) . Physical Review Letters . 104 (7) 070802. arXiv : 0911.4527 . Bibcode :2010PhRvL.104g0802C. doi :10.1103/PhysRevLett.104.070802. PMID  20366869. S2CID  13936087. Архивировано (PDF) из оригинала 21 июля 2011 г. . Получено 9 февраля 2011 г. .
78. Brewer, SM; Chen, J.-S.; Hankin, AM; Clements, ER; Chou, CW; Wineland, DJ; Hume, DB; Leibrandt, DR (15 июля 2019 г.). " ²⁷ Al ⁺ квантово-логические часы с систематической неопределенностью ниже 10 ⁻¹⁸ ". Physical Review Letters . 123 (3) 033201. arXiv : 1902.07694 . Bibcode : 2019PhRvL.123c3201B. doi : 10.1103/PhysRevLett.123.033201. PMID  31386450. S2CID  119075546.
79. Уиллс, Стюарт (июль 2019 г.). «Optical Clock Precision Breaks New Ground». Архивировано из оригинала 26 августа 2019 г. Получено 4 сентября 2019 г.
80. Дюбе, Пьер (15 июля 2019 г.). «Точка зрения: ионные часы врываются в новый режим точности». Физика . 12 79. doi : 10.1103/physics.12.79 .
81. Ван, Йебин (27 сентября 2018 г.). «Последние достижения в области оптических решетчатых часов 87Sr в Национальном центре службы времени». Прикладные науки . 8 (11) 2194. doi : 10.3390/app8112194 . S2CID  115531283.
82. Гао, Ци; Чжоу, Мин; Хан, Чэнъин; Ли, Шанянь; Чжан, Шуан; Яо, Юань; Ли, Бо; Цяо, Хао; Ай, Ди; Лу, Ге; Чжан, Мэнгья (22 мая 2018 г.). «Систематическая оценка оптических часов 171Yb путем синхронного сравнения двух решетчатых систем». Научные отчеты . 8 (1) 8022. Бибкод : 2018НатСР...8.8022Г. doi : 10.1038/s41598-018-26365-w. ISSN  2045-2322. ПМК 5964087 . ПМИД  29789631. 
83. Peik, E.; Tamm, Chr. (15 января 2003 г.). "Ядерная лазерная спектроскопия перехода 3,5 эВ в 229Th" (PDF) . Europhysics Letters . 61 (2): 181–186. Bibcode :2003EL.....61..181P. doi :10.1209/epl/i2003-00210-x. S2CID  250818523. Архивировано из оригинала (PDF) 16 декабря 2013 г. . Получено 11 сентября 2019 г. .
84. Кэмпбелл, К.; Раднаев, АГ; Кузмич, А.; Дзюба, ВА; Фламбаум, ВВ; Деревянко, А. (2012). "Одноионные ядерные часы для метрологии на 19-м десятичном месте". Phys. Rev. Lett . 108 (12) 120802. arXiv : 1110.2490 . Bibcode :2012PhRvL.108l0802C. doi :10.1103/PhysRevLett.108.120802. PMID  22540568. S2CID  40863227.
85. фон дер Венсе, Ларс; Зайферле, Бенедикт; Лаатиауи, Мустафа; Ноймайр, Юрген Б.; Майер, Ханс-Йорг; Вирт, Ганс-Фридрих; Мокри, Кристоф; Рунке, Йорг; Эберхардт, Клаус; Дюльманн, Кристоф Э.; Траутманн, Норберт Г.; Тирольф, Питер Г. (5 мая 2016 г.). «Прямое обнаружение перехода ядерных часов ²²⁹ Th». Природа . 533 (7601): 47–51. arXiv : 1710.11398 . Бибкод : 2016Natur.533...47V. дои : 10.1038/nature17669. PMID  27147026. S2CID  205248786.
86. Thielking, J.; Okhapkin, MV; Glowacki, P.; Meier, DM; von der Wense, L.; Seiferle, B.; Düllmann, CE; Thirolf, PG; Peik, E. (2018). "Laser spectroscopic characterization of the nuclear-clock isomer ^229m Th". Nature . 556 (7701): 321–325. arXiv : 1709.05325 . Bibcode :2018Natur.556..321T. doi :10.1038/s41586-018-0011-8. PMID  29670266. S2CID  4990345.
87. Масуда, Т.; Ёшими, А.; Фудзиеда, А.; Фудзимото, Х.; Хаба, Х.; Хара, Х.; Хираки, Т.; Кайно, Х.; Касаматсу Ю.; Китао, С.; Конаши, К.; Миямото, Ю.; Окай, К.; Окубо, С.; Сасао, Н.; Сето, М.; Шумм, Т.; Сигэкава, Ю.; Сузуки, К.; Стеллмер, С.; Тамасаку, К.; Уэтаке, С.; Ватанабэ, М.; Ватанабэ, Т.; Ясуда, Ю.; Ямагучи, А.; Йода, Ю.; Йококита, Т.; Ёсимура, М.; Ёсимура, К. (12 сентября 2019 г.). «Рентгеновская накачка изомера ядерных часов ²²⁹ Th». Nature . 573 (7773): 238–242. arXiv : 1902.04823 . Bibcode :2019Natur.573..238M. doi :10.1038/s41586-019-1542-3. PMID  31511686. S2CID  119083861.
88. Зайферле, Б.; фон дер Венсе, Л.; Белоус, П.В.; Амерсдорфер, И.; Лемелл, К.; Либиш, Ф.; Стеллмер, С.; Шумм, Т.; Дюльманн, CE; Палфи, А.; Тирольф, PG (12 сентября 2019 г.). «Энергия ²²⁹ -го перехода ядерных часов». Природа . 573 (7773): 243–246. arXiv : 1905.06308 . Бибкод : 2019Natur.573..243S. дои : 10.1038/s41586-019-1533-4. PMID  31511684. S2CID  155090121.
89. Тиролф, Питер (29 апреля 2024 г.). «Проливая свет на изомер ядерных часов тория-229». Физика . Том 17. doi :10.1103/Physics.17.71.
90. Tiedau, J.; Okhapkin, MV; Zhang, K.; Thielking, J.; Zitzer, G.; Peik, E.; et al. (29 апреля 2024 г.). "Laser Excitation of the Th-229 Nucleus" (PDF) . Physical Review Letters . 132 (18) 182501. Bibcode :2024PhRvL.132r2501T. doi :10.1103/PhysRevLett.132.182501. PMID  38759160. Ядерный резонанс для ионов Th ⁴⁺ в Th:CaF ₂ измеряется на длине волны148,3821(5) нм , частота2 020 .409(7) ТГц , а время жизни флуоресценции в кристалле составляет630(15) с , что соответствует периоду полураспада изомера1740(50) с для ядра, изолированного в вакууме.
91. Элвелл, Р.; Шнайдер, Кристиан; Джит, Джастин; Терхьюн, Дж. Э. С.; Морган, Х. В. Т.; Александрова, А. Н.; Тран Тан, Хоанг Бао; Деревянко, Андрей; Хадсон, Эрик Р. (2 июля 2024 г.). "Лазерное возбуждение ядерного изомерного перехода ²²⁹ Th в твердотельном хозяине". Physical Review Letters . 133 (1) 013201. arXiv : 2404.12311 . doi :10.1103/PhysRevLett.133.013201. PMID  39042795. узкая спектральная особенность с ограниченной шириной лазерной линии на148,382 19 (4) _стат (20) _сис  нм (2 020 407 .3(5) _стат (30) _сис  ГГц ), который затухает со временем жизни568(13) _stat (20) _sys  s . Эта особенность приписывается возбуждению ядерного изомерного состояния ²²⁹ Th, энергия которого, как установлено, равна8,355 733 (2) _стат (10)</sys> эВ в ²²⁹ Th:LiSrAlF ₆ .
92. Чжан, Чуанкунь; Ой, Тиан; Хиггинс, Джейкоб С.; Дойл, Джек Ф.; фон дер Венсе, Ларс; Бикс, Кьельд; Лейтнер, Адриан; Казаков Георгий; Ли, Пэн; Тирольф, Питер Г.; Шумм, Торстен; Йе, Джун (4 сентября 2024 г.). «Соотношение частот ядерного изомерного перехода ^229m Th и атомных часов ⁸⁷ Sr». Природа . 633 (8028): 63–70. arXiv : 2406.18719 . дои : 10.1038/s41586-024-07839-6. PMID  39232152. Частота перехода между основным состоянием I = 5/2 и возбужденным состоянием I = 3/2 определяется как: 𝜈 _Th = ⁠1/6⁠ ( 𝜈 _а + 2 𝜈 _б + 2 𝜈 _с + 𝜈 _d ) =2 020 407 384 335 (2) кГц .
93. Коновер, Эмили (4 сентября 2024 г.). «Прототип ядерных часов намекает на сверхточный хронометраж». ScienceNews .
94. Сейферле, Бенедикт; фон дер Венсе, Ларс; Тиролф, Питер Г. (2017). «Измерение времени жизни ядерного изомера ²²⁹ Th». Physical Review Letters . 118 (4) 042501. arXiv : 1801.05205 . Bibcode : 2017PhRvL.118d2501S. doi : 10.1103/PhysRevLett.118.042501. PMID  28186791. S2CID  37518294. Период полураспадаИзмерено 7 ± 1 мкс
95. Peik, Ekkehard (25–27 сентября 2012 г.). Концепции и перспективы ядерных часов на тории-229 (PDF) . Семинар EMMI: часы на ядерном изомере ^{229m Th. Дармштадт. Архивировано} (PDF) из оригинала 10 октября 2021 г. Получено 2 декабря 2019 г.
96. Национальная физическая лаборатория (2011). «Когда нам следует изменить определение секунды?». Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 369 (1953): 4109–4130. Bibcode : 2011RSPTA.369.4109G. doi : 10.1098/rsta.2011.0237. PMID  21930568. S2CID  6896025.
97. Gill, Patrick (28 октября 2011 г.). «Когда нам следует изменить определение секунды?». Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 369 (1953): 4109–4130. Bibcode : 2011RSPTA.369.4109G. doi : 10.1098/rsta.2011.0237. PMID  21930568. S2CID  6896025.
98. «Консультативный комитет по единицам (CCU). Отчет 25-го заседания (21–23 сентября 2021 г.) Международного комитета мер и весов».
99. Риле, Фриц. «О вторичных представлениях второго» (PDF) . Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Division Optics . Архивировано из оригинала (PDF) 23 июня 2015 г. . Получено 22 июня 2015 г. .
100. "Единица времени (секунда)". Брошюра SI . BIPM . 2014 [2006]. Архивировано из оригинала 19 ноября 2011 г. Получено 23 июня 2015 г.
101. "87Rubidium BIPM document" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 23 сентября 2015 г. . Получено 22 июня 2015 г. .
102. Эссен, Л.; Дональдсон, Р. В.; Хоуп, Э. Г.; Бэнгхэм, М. Дж. (июль 1973 г.). «Работа водородного мазера в Национальной физической лаборатории». Metrologia . 9 (3): 128–137. Bibcode : 1973Metro...9..128E. doi : 10.1088/0026-1394/9/3/004. S2CID  250828528.
103. Дюпай, Арно; Бесвик, Альберто; Лепети, Бруно; Риццо, Карло (август 2003 г.). "Радиус протона Земаха по измерениям сверхтонкого расщепления водорода и мюонного водорода" (PDF) . Physical Review A . 68 (5) 052503. arXiv : quant-ph/0308136 . Bibcode :2003PhRvA..68e2503D. doi :10.1103/PhysRevA.68.052503. S2CID  3957861. Архивировано (PDF) из оригинала 14 января 2019 г. . Получено 26 сентября 2016 г. .
104. "87Strontium BIPM document" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г. . Получено 25 июня 2015 г. .
105. "27Aluminum ion BIPM document". Архивировано из оригинала 2 августа 2022 года . Получено 9 декабря 2022 года .
106. Брюэр, С.; Чен, Дж.-С.; Ханкин, А.; Клементс, Э. (15 июля 2019 г.). "27Al+ Квантовые логические часы с систематической неопределенностью ниже 10−18". Physical Review Letters . 123 (3) 033201. arXiv : 1902.07694 . Bibcode : 2019PhRvL.123c3201B. doi : 10.1103/PhysRevLett.123.033201. PMID  31386450. S2CID  119075546.
107. "171Ytterbium 171 ion (642 THz) BIPM document". Архивировано из оригинала 2 августа 2022 года . Получено 9 декабря 2022 года .
108. Huntemann, N.; Sanner, C.; Lipphardt, B.; Tamm, Chr. (8 февраля 2016 г.). "Single-Ion Atomic Clock with 3×10−18 Systematic Uncertainty". Physical Review Letters . 116 (6) 063001. arXiv : 1602.03908 . Bibcode : 2016PhRvL.116f3001H. doi : 10.1103/PhysRevLett.116.063001. PMID  26918984. S2CID  19870627.
109. "171Ytterbium 171 ion (688 THz) BIPM document". Архивировано из оригинала 2 августа 2022 года . Получено 9 декабря 2022 года .
110. Leute, J.; Huntemann, N.; Lipphardt, B.; Tamm, Christian (3 февраля 2016 г.). «Сравнение частот оптических часов на ионах 171Yb+ в PTB и NPL с помощью GPS PPP». IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control . 63 (7): 981–985. arXiv : 1507.04754 . doi : 10.1109/TUFFC.2016.2524988. PMID  26863657. S2CID  20466105.
111. "StackPath". www.laserfocusworld.com . Сентябрь 2001 . Получено 11 февраля 2022 .
112. Ахмед, Иссам. «Что самые точные в мире часы могут рассказать нам о Земле и космосе». phys.org . Получено 11 февраля 2022 г.
113. «Новый тип атомных часов отсчитывает время еще точнее». Новости MIT | Массачусетский технологический институт . 16 декабря 2020 г. Получено 11 февраля 2022 г.
114. Вудворд, Айлин (5 октября 2017 г.). «Самые точные атомные часы, когда-либо созданные, — это куб квантового газа». New Scientist . Получено 11 февраля 2022 г.
115. Рен, Вэй; Ли, Тан; Цюй, Цючжи; Ван, Бин; Ли, Лин; Лю, Дэшэн; Чен, Вэйбяо; Лю, Лян (18 декабря 2020 г.). «Разработка космических часов из холодного атома». Национальный научный обзор . 7 (12): 1828–1836. doi : 10.1093/nsr/nwaa215. ISSN  2095-5138. ПМЦ 8288775 . ПМИД  34691520. 
116. [email protected] (11 февраля 2010 г.). "Помощь с радиоуправляемыми часами WWVB". NIST . Получено 15 февраля 2022 г. .
117. Маккарти, ДД ; Зайдельман, П.К. (2009). ВРЕМЯ — От вращения Земли до атомной физики . Weinheim: Wiley-VCH. стр. 266. ISBN 978-3-527-40780-4.
118. "Global Positioning System". Gps.gov. Архивировано из оригинала 30 июля 2010 года . Получено 26 июня 2010 года .
119. Аллан, Дэвид В. (1997). «Наука хронометража» (PDF) . Примечание к применению (1289). Hewlett Packard. Архивировано (PDF) из оригинала 25 октября 2012 г.
120. Dana, Peter H.; Penro, Bruce M. (июль–август 1990 г.). «Роль GPS в распространении точного времени и частоты» (PDF) . GPSworld . Архивировано (PDF) из оригинала 15 декабря 2012 г. . Получено 27 апреля 2014 г. .
121. "Точность времени GPS до 100 наносекунд". Галеон. Архивировано из оригинала 14 мая 2012 года . Получено 12 октября 2012 года .
122. "UTC to GPS Time Correction". qps.nl . Архивировано из оригинала 21 марта 2017 года . Получено 4 октября 2015 года .
123. "NAVSTAR GPS User Equipment Introduction" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 21 октября 2013 г. . Получено 4 октября 2015 г. .Раздел 1.2.2
124. "NOTICE ADVISORY TO NAVSTAR USERS (NANU)". Май 2017. Архивировано из оригинала 28 мая 2017. Получено 4 октября 2015 .
125. "Notice Advisory to Navstar Users (NANU) 2012034". Центр операций GPS. 30 мая 2012 г. Архивировано из оригинала 8 апреля 2013 г. Получено 2 июля 2012 г.
126. "Time References in GNSS". navipedia.net . Архивировано из оригинала 2 июня 2018 года . Получено 2 октября 2015 года .
127. "Документ управления интерфейсом ГЛОНАСС, Навигационный радиосигнал в диапазонах L1, L2 (ИКД L1, L2 ГЛОНАСС), Российский институт космического приборостроения, издание 5.1, 2008" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 14 апреля 2016 г. . Получено 2 октября 2015 г. .
128. "Galileo начинает обслуживать земной шар". Европейское космическое агентство. Архивировано из оригинала 13 сентября 2019 года . Получено 15 декабря 2016 года .
129. "Вклад Галилея в систему MEOSAR". Европейская комиссия. Архивировано из оригинала 9 июля 2016 года . Получено 30 декабря 2015 года .
130. "European GNSS (Galileo) Open Service Signal-In-Space Operational Status Definition, Issue 1.0, September 2015" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 9 января 2017 г. . Получено 3 октября 2015 г. .
131. "1 Определение и реализация системного времени Галилео (GST). ICG-4 WG-D по шкалам времени ГНСС. Жером Дельпорт. CNES – Французское космическое агентство" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 6 ноября 2016 г. . Получено 5 октября 2015 г. .
132. "Часы Галилея". Европейское космическое агентство. Архивировано из оригинала 29 августа 2019 года . Получено 16 января 2017 года .
133. "Galileo Goes Live". Европейское агентство GNSS. 15 декабря 2016 г. Архивировано из оригинала 15 января 2021 г. Получено 1 февраля 2017 г.
134. "Galileo Initial Services – Open Service – Quarterly Performance Report Oct–Nov–Dec 2017" (PDF) . Европейский центр обслуживания ГНСС. 28 марта 2018 г. Архивировано (PDF) из оригинала 26 августа 2019 г. . Получено 28 марта 2017 г. .
135. "Galileo Open Service and Search and Rescue – Quarterly Performance Reports, содержащие измеренную статистику производительности". Архивировано из оригинала 26 августа 2019 года . Получено 3 марта 2019 года .
136. "Пассивный водородный мазер (PHM)". Safran - Навигация и синхронизация . Архивировано из оригинала 6 марта 2019 года . Получено 30 января 2017 года .
137. "Rb Atomic Frequency Standard (RAFS)". safran-navigation-timing.com . Архивировано из оригинала 6 ноября 2018 года . Получено 30 января 2017 года .
138. "Описание шкалы времени GNSS" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 28 октября 2020 г. . Получено 5 октября 2015 г. .
139. "ESA добавляет системное смещение времени в навигационное сообщение Galileo". insidegnss.com . Архивировано из оригинала 28 марта 2018 года . Получено 5 октября 2015 года .
140. Белчер, Дэвид (1 ноября 2021 г.). «Пытаетесь куда-то попасть? Атомные часы могут помочь». The New York Times . ISSN  0362-4331 . Получено 15 февраля 2022 г.
141. Китайское управление спутниковой навигации, версия 2.0, декабрь 2013 г. ^{[ постоянная неработающая ссылка ]}
142. "Определение и реализация системного времени спутниковой навигационной системы COMPASS/BeiDou, Chunhao Han, Пекинский глобальный информационный центр (BGIC), Пекин, Китай" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 29 октября 2020 г. . Получено 5 октября 2015 г. .
143. "Китайский конкурент GPS Beidou начинает предлагать навигационные данные". BBC. 27 декабря 2011 г. Архивировано из оригинала 3 февраля 2012 г. Получено 22 июня 2018 г.
144. «Китайский GPS-заменитель Beidou открывается для публики в Азии» . Би-би-си. 27 декабря 2012 года. Архивировано из оригинала 27 декабря 2012 года . Проверено 27 декабря 2012 г.
145. Varma, KJM (27 декабря 2018 г.). «Китайский навигационный спутник BeiDou, конкурент американской GPS, начинает предоставлять глобальные услуги». livemint.com . Архивировано из оригинала 27 декабря 2018 г. . Получено 27 декабря 2018 г. .
146. "Китай вывел на орбиту последний спутник сети Beidou – государственные СМИ". Reuters . 23 июня 2020 г. Архивировано из оригинала 28 октября 2020 г. Получено 23 июня 2020 г.
147. Ландау, Элизабет (27 апреля 2015 г.). "Deep Space Atomic Clock". NASA . Архивировано из оригинала 10 декабря 2015 г. Получено 29 апреля 2015 г.
148. Нортон, Карен (25 июня 2019 г.). «NASA Technology Missions Launch on SpaceX Falcon Heavy». NASA . Получено 20 февраля 2022 г. .
149. "NASA активирует атомные часы дальнего космоса". Лаборатория реактивного движения NASA (JPL) . Получено 20 февраля 2022 г.
150. Хартоно, Наоми (1 октября 2021 г.). «Работаем сверхурочно: атомные часы NASA Deep Space Atomic Clock Completes Mission». NASA . Получено 20 февраля 2022 г. .
151. "DARPA стремится заменить GPS более точными атомными часами". The Defense Post . 1 февраля 2022 г. Получено 15 февраля 2022 г.
152. "DARPA запускает программу по созданию оптических атомных часов". Airforce Technology . 21 января 2022 г. Получено 15 февраля 2022 г.
153. Майкл А. Ломбарди, «Насколько точны радиоуправляемые часы?», Архивировано 7 января 2021 г. в Wayback Machine , Национальный институт стандартов и технологий, 2010 г.
154. lombardi (24 сентября 2009 г.). "Radio Station WWV". NIST . Получено 16 февраля 2022 г. .
155. Чен, София. «Эти физики наблюдали за тиканьем часов 14 лет подряд». Wired . ISSN  1059-1028 . Получено 15 февраля 2022 г.
156. Ботвелл, Тобиас; Кеннеди, Колин Дж.; Эппли, Александр; Кедар, Друв; Робинсон, Джон М.; Оелкер, Эрик; Старон, Александр; Йе, Джун (2022). «Разрешение гравитационного красного смещения в атомном образце миллиметрового масштаба». Nature . 602 (7897): 420–424. arXiv : 2109.12238 . Bibcode :2022Natur.602..420B. doi :10.1038/s41586-021-04349-7. PMID  35173346. S2CID  237940816.
157. [email protected] (16 февраля 2022 г.). "Атомные часы JILA измеряют общую теорию относительности Эйнштейна в миллиметровом масштабе". NIST . Получено 17 февраля 2022 г. .
158. «Сверхточные часы показывают, как связать квантовый мир с гравитацией». Журнал Quanta . 25 октября 2021 г. Получено 16 февраля 2022 г.
159. [email protected] (18 июня 2020 г.). "Keeping Time at NIST". NIST . Получено 16 февраля 2022 г. .
160. "TimeChainZ – Нормативная отчетность для высокочастотной торговли". www.chainzy.com . Получено 16 февраля 2022 г. .
161. Geng, Yilong; Liu, Shiyu; Yin, Zi; Naik, Ashish; Prabhakar, Balaji; Rosenblum, Mendel; Vahdat, Amin (2018). Использование естественного сетевого эффекта для масштабируемой, мелкозернистой синхронизации часов. 15-й симпозиум USENIX по проектированию и внедрению сетевых систем. стр. 81–94. ISBN 978-1-939133-01-4.
162. Коллер, СБ; Гротти, Дж.; Фогт, Ст.; Аль-Масуди, А.; Дёршер, С.; Хефнер, С.; Штерр, У.; Лисдат, Ч. (13 февраля 2017 г.). «Транспортируемые оптические решеточные часы с неопределенностью 7×10−17». Physical Review Letters . 118 (7): 073601. arXiv : 1609.06183 . doi :10.1103/PhysRevLett.118.073601. ISSN  0031-9007. PMID  28256845. S2CID  40822816.