Атомное время
как мы боялись заблудиться в море, а оказались в открытом космосе
Музей истории ОИЯУ МИФИ
Время
Лазеры
Измерительные приборы
Который час? Ученые и инженеры столетиями пытались получить как можно более точный ответ на этот вопрос, потому что от него долгое время зависели моряки в открытом море, не имеющие иного способа определить свои координаты, кроме как при помощи хронометра. А когда наука все же справилась с поставленной задачей, стало возможным гораздо большее, чем уверенное плавание под парусом.
В одной из комнат музея Московского инженерно-физического института (МИФИ) можно увидеть средних размеров металлический ящик с двумя круглыми окошками наподобие иллюминаторов. Ящик весь закручен гайками и выкрашен в такой нейтрально-бирюзовый цвет, что можно запросто пройти мимо, подумав, что это какой-то старый электросчетчик. Однако у этого устройства большая история, а его изобретение очень сильно повлияло на нашу жизнь — и влияет до сих пор.
В одной из комнат музея Московского инженерно-физического института (МИФИ) можно увидеть средних размеров металлический ящик с двумя круглыми окошками наподобие иллюминаторов. Ящик весь закручен гайками и выкрашен в такой нейтрально-бирюзовый цвет, что можно запросто пройти мимо, подумав, что это какой-то старый электросчетчик. Однако у этого устройства большая история, а его изобретение очень сильно повлияло на нашу жизнь — и влияет до сих пор.
Генератор молекулярный квантовый (мазер)
Экспонат
(c)Музей истории и перспектив развития НИЯУ МИФИ
(c)Музей истории и перспектив развития НИЯУ МИФИ
Устройство называется «мазер», и за него — вернее, за открытие принципа, по которому он работает, — была вручена Нобелевская премия по физике за 1964 год. Награду разделили трое ученых: советские исследователи Николай Басов и Александр Прохоров и американец Чарльз Хард Таунс. В обосновании присуждения премии Нобелевский комитет заключал: «За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей на лазерно-мазерном принципе».
Изобретение мазера не то чтобы изменило ход истории, а, скорее, сделало его измеримым. Сегодня это один из важнейших элементов системы точного времени. Без него весь современный мир с авиаперелетами, навигаторами в каждом телефоне, спутниковой передачей данных и планами по покорению ближайшего космоса был бы почти невозможен. Мазер решает главную проблему на любом пути: определение точного времени.
Изобретение мазера не то чтобы изменило ход истории, а, скорее, сделало его измеримым. Сегодня это один из важнейших элементов системы точного времени. Без него весь современный мир с авиаперелетами, навигаторами в каждом телефоне, спутниковой передачей данных и планами по покорению ближайшего космоса был бы почти невозможен. Мазер решает главную проблему на любом пути: определение точного времени.
Катастрофа — это неточно
Летом 1707 года британские, австрийские и голландские войска под командованием принца Евгения Савойского осадили французский город Тулон. Союзники намеревались лишить Францию важного порта на Средиземноморье, и к осаде подключился в том числе и английский флот. Однако к осени стало понятно, что Тулон не падет и англичанам придется возвращаться обратно. В конце сентября корабли получил приказ двигаться домой.
Путешествие под руководством главнокомандующего британскими флотами сэром Клаудсли Шовеллом было не из простых. Постоянные штормы и дожди крайне усложняли навигацию, часто было невозможно даже определить широту и положение флота на карте. Замеры удалось провести только через три недели после отплытия. По ним выходило, что флотилия находится в 200 милях к западу-юго-западу от островов Силли, которые, в свою очередь, расположены примерно в 30 милях от побережья Британии. Это измерение было последним во время перехода.
Ночью 22 октября 1707 года британский флот направился на север, но курс был проложен неправильно. Угодив в очередной шторм, четыре корабля разбились о скалы. Погибло от 1400 до 2200 человек, включая сэра Клаудсли Шовелла, выжило всего около двух десятков человек. Тела погибших начало прибивать к берегам островов Силли уже в течение следующих дней. Эта катастрофа стала одной из крупнейших для британского флота в XVIII веке.
Путешествие под руководством главнокомандующего британскими флотами сэром Клаудсли Шовеллом было не из простых. Постоянные штормы и дожди крайне усложняли навигацию, часто было невозможно даже определить широту и положение флота на карте. Замеры удалось провести только через три недели после отплытия. По ним выходило, что флотилия находится в 200 милях к западу-юго-западу от островов Силли, которые, в свою очередь, расположены примерно в 30 милях от побережья Британии. Это измерение было последним во время перехода.
Ночью 22 октября 1707 года британский флот направился на север, но курс был проложен неправильно. Угодив в очередной шторм, четыре корабля разбились о скалы. Погибло от 1400 до 2200 человек, включая сэра Клаудсли Шовелла, выжило всего около двух десятков человек. Тела погибших начало прибивать к берегам островов Силли уже в течение следующих дней. Эта катастрофа стала одной из крупнейших для британского флота в XVIII веке.
Карта островов Силли с отмеченным местом крушения английского флота.
©Wikimedia
Корабли погибли в море потому, что в тот единственный момент на четвертую неделю плавания, когда погода позволила сориентироваться по небу, координаты были определены неправильно. О том, что в этих краях такое бывает, было известно за несколько лет до катастрофы: в том секторе океана проходили не нанесенные на карты течения и сбоили компасы из-за искажения магнитного поля Земли. Но прежде всего проблема заключалась в определении долготы. В то время ее вычисляли в основном по небесным светилам при помощи астролябии, а точность измерений полностью зависела от хорошей погоды.
Катастрофа у островов Силли заставила парламент Великобритании учредить в 1714 году большой приз за способ точного определения долготы. Сумма награды составляла 20 тысяч фунтов стерлингов. Для сравнения: глава адмиралтейства получал тогда около четырех тысяч фунтов в год. Определить победителя должен был специально созданный Совет по долготе.
Катастрофа у островов Силли заставила парламент Великобритании учредить в 1714 году большой приз за способ точного определения долготы. Сумма награды составляла 20 тысяч фунтов стерлингов. Для сравнения: глава адмиралтейства получал тогда около четырех тысяч фунтов в год. Определить победителя должен был специально созданный Совет по долготе.
В погоне за долготой
В XVI веке нидерландский ученый Гемма Фризиус предложил для определения долготы использовать механические часы. Зная время в нулевом меридиане, можно довольно легко выяснить долготу, сравнив с местным временем. Проблема была только в том, что для этого часы должны работать идеально. С часами, которые отставали или отставали менее чем на шесть секунд в день (а таких практически не существовало в то время), штурман мог определить положение корабля с разбросом в сто километров. Это вдвое больше, чем от островов Силли до Англии.
Приз британского Адмиралтейства мог получить любой, кто определил бы долготу с точностью до 50 километров к северу от экватора. По существу, это означало, что необходимо изобрести часы, которые работают в два раза лучше, чем самые точные хронометры своего времени, при этом в открытом море. Молодой талантливый английский часовщик Джон Гаррисон посчитал, что эта задача ему по плечу.
Одной из самых сложных проблем, которую нужно было решить Гаррисону, — это нивелирование влияния качки и температуры на ход часового маятника. Конкуренты изобретателя сомневались, что подобные часы в принципе можно сконструировать, и потому сфокусировались на разработке астрономических методов определения долготы. Ни один из способов, зависящих от чистого неба на головой, не удовлетворил членов Совета по долготе.
Приз британского Адмиралтейства мог получить любой, кто определил бы долготу с точностью до 50 километров к северу от экватора. По существу, это означало, что необходимо изобрести часы, которые работают в два раза лучше, чем самые точные хронометры своего времени, при этом в открытом море. Молодой талантливый английский часовщик Джон Гаррисон посчитал, что эта задача ему по плечу.
Одной из самых сложных проблем, которую нужно было решить Гаррисону, — это нивелирование влияния качки и температуры на ход часового маятника. Конкуренты изобретателя сомневались, что подобные часы в принципе можно сконструировать, и потому сфокусировались на разработке астрономических методов определения долготы. Ни один из способов, зависящих от чистого неба на головой, не удовлетворил членов Совета по долготе.
Портрет Жака де Вокансона работы Джозефа Бозе, 1784.
©Wikimedia
Гаррисону потребовались 16 лет для того, чтобы представить на суд совета свой морской хронометр. Первый же прототип оказался вполне рабочим. Однако изобретатель не был удовлетворен точностью измерений, проведенных в море, и потому сразу же начал работу над новым экземпляром, благо совет посчитал его разработку достаточно перспективной, чтобы выделить финансирование. Новый хронометр был готов в январе 1741 года, но и он оказался недостаточно точным.
Упорный часовщик продолжал работать и к 1755 году довел свое изобретение до совершенства. Испытания, проведенные зимой 1761−1762 года показали, что морской хронометр Гаррисона определяет долготу в три раза точнее, чем требовалось, чтобы получить приз. Окончательный расчет Гаррисон получил в 1770-х годах, когда ему было уже 80 лет.
Упорный часовщик продолжал работать и к 1755 году довел свое изобретение до совершенства. Испытания, проведенные зимой 1761−1762 года показали, что морской хронометр Гаррисона определяет долготу в три раза точнее, чем требовалось, чтобы получить приз. Окончательный расчет Гаррисон получил в 1770-х годах, когда ему было уже 80 лет.
Точнее
Первые хронометры Гаррисона были такими дорогими, что далеко не все судоходные компании могли их себе позволить, тем более что для навигации нужно было как минимум три прибора на случай, если часы начнут немного спешить или отставать. В XIX и XX веках хронометры усовершенствовали, они становились точнее и дешевле и превратились в общий стандарт.
И все же у хронометров была проблема: их механизмы зависели от температуры, влажности и давления, которые меняли упругость заводной пружины и могли вызвать коррозию на шестеренках. Поэтому в начале XX века для точной навигации использовали телеграфную связь с кораблями, затем на помощь пришло радио. Но и оно спасало не всегда: во время бури атмосферное электричество создает такие помехи, что может оставить корабль без связи на многие часы и даже дни. Для навигации по-прежнему лучше всего подходили часы, но желательно такие, чтобы время в них отсчитывалось по-настоящему точно.
В 1945 году американские ученые предложили в качестве нового стандарта измерения времени использовать частоту колебания атома. Концепт таких часов был создан уже в 1949 году, а в 1950-х их точность повысилась, так как для измерения частоты использовались атомы цезия. Принцип работы таких часов основан на том, что атомы цезия возбуждаются и дают излучение определенной частоты, которая не зависит от внешних факторов и потому берется за стандарт измерения.
Со временем технология атомных часов была дополнена атомными фонтанами — облаками холодных атомов, которые подбрасываются вверх со значительным ускорением. Холодные атомы не давали цезию дополнительно нагреваться и стабилизировали частоту излучения.
Атомные часы, цезиевые фонтаны — это камертоны точного времени: они определяют эталон, но не работают постоянно. Процесс запускается раз в сутки или двое для сверки точности времени. А эталон частоты нужно поддерживать, сохранять постоянно, чтобы иметь возможность к нему обращаться. Для музыканта хранителем частоты является камертон, а для системы точного времени — мазеры.
И все же у хронометров была проблема: их механизмы зависели от температуры, влажности и давления, которые меняли упругость заводной пружины и могли вызвать коррозию на шестеренках. Поэтому в начале XX века для точной навигации использовали телеграфную связь с кораблями, затем на помощь пришло радио. Но и оно спасало не всегда: во время бури атмосферное электричество создает такие помехи, что может оставить корабль без связи на многие часы и даже дни. Для навигации по-прежнему лучше всего подходили часы, но желательно такие, чтобы время в них отсчитывалось по-настоящему точно.
В 1945 году американские ученые предложили в качестве нового стандарта измерения времени использовать частоту колебания атома. Концепт таких часов был создан уже в 1949 году, а в 1950-х их точность повысилась, так как для измерения частоты использовались атомы цезия. Принцип работы таких часов основан на том, что атомы цезия возбуждаются и дают излучение определенной частоты, которая не зависит от внешних факторов и потому берется за стандарт измерения.
Со временем технология атомных часов была дополнена атомными фонтанами — облаками холодных атомов, которые подбрасываются вверх со значительным ускорением. Холодные атомы не давали цезию дополнительно нагреваться и стабилизировали частоту излучения.
Атомные часы, цезиевые фонтаны — это камертоны точного времени: они определяют эталон, но не работают постоянно. Процесс запускается раз в сутки или двое для сверки точности времени. А эталон частоты нужно поддерживать, сохранять постоянно, чтобы иметь возможность к нему обращаться. Для музыканта хранителем частоты является камертон, а для системы точного времени — мазеры.
Как хранить частоту
Первый опытный образец мазера был собран группой под руководством физика Чарльза Таунса в Колумбийском университете в 1953 году. Мазер — это устройство, которое производит и усиливает электромагнитное излучение преимущественно в микроволновом диапазоне спектра на определенной частоте. Это излучение очень и очень стабильное.
Название «мазер» представляет собой аббревиатуру словосочетания microwave amplification by stimulated emission of radiation («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»); его предложил Чарльз Таунс. Принцип работы мазера практически идентичен принципу работы лазера (его название тоже аббревиатура, только вместо «микроволн» в нем используется свет — light). Для работы мазера необходим источник возбужденных атомов или молекул и резонатор, который хранит их излучение.
Название «мазер» представляет собой аббревиатуру словосочетания microwave amplification by stimulated emission of radiation («усиление микроволн с помощью вынужденного излучения»); его предложил Чарльз Таунс. Принцип работы мазера практически идентичен принципу работы лазера (его название тоже аббревиатура, только вместо «микроволн» в нем используется свет — light). Для работы мазера необходим источник возбужденных атомов или молекул и резонатор, который хранит их излучение.
Первый прототип аммиачного мазера и его изобретатель Чарльз Таунс
©Wikimedia
Однако мазер из коллекции МИФИ был создан не в США, а в СССР отечественными физиками Николаем Басовым и Александром Прохоровым.
Александр Прохоров родился в Австралии в 1916 году в семье профессиональных революционеров. В Россию семья переехала лишь в 1923 году. Окончив физфак ЛГУ и поступив в аспирантуру, Прохоров вскоре ушел на фронт; сначала служил в пехоте, потом в разведке. После тяжелого ранения в 1944 году был демобилизован и продолжил научную работу.
Николай Басов был помоложе: родился в 1922 году в Липецкой области. В армию он ушел сразу после школы, служил фельдшером на Украинском фронте и носил в вещмешке лекции Эйнштейна по физике. После войны Басов поступил в МИФИ, чуть ли не случайно увидев объявление о дополнительном наборе на зимний семестр.
Басов и Прохоров познакомились после войны и обнаружили большое сходство своих научных интересов. В 1952 году они выступили на конференции с докладом, в котором описывали теоретические основы работы мазера. В этом исследовании советские ученые опередили американца Таунса, которому, впрочем, удалось первым создать работающий экземпляр, что стало прямым доказательством справедливости и точности предложенной теории. Как бы то ни было, комитет Нобелевской премии решил, что премии за изобретение мазера достойны все трое.
Еще через два года была опубликована подробная статья Басова и Прохорова о мазерах, после чего изобретатели обратились к теоретической разработке лазеров и заложили основы лазерной физики. Так, на разных континентах ученые проложили дорогу сотням и тысячам новых специалистов, изменивших мир.
В мазерах, созданных Басовом и Прохоровым, использовался аммиак, в современных мазерах применяется водород. Российские водородные мазеры выпускаются в Нижнем Новгороде и считаются одними из самых точных в мире. Именно благодаря мазерам российская система стандартов входит в пятерку по точности.
Александр Прохоров родился в Австралии в 1916 году в семье профессиональных революционеров. В Россию семья переехала лишь в 1923 году. Окончив физфак ЛГУ и поступив в аспирантуру, Прохоров вскоре ушел на фронт; сначала служил в пехоте, потом в разведке. После тяжелого ранения в 1944 году был демобилизован и продолжил научную работу.
Николай Басов был помоложе: родился в 1922 году в Липецкой области. В армию он ушел сразу после школы, служил фельдшером на Украинском фронте и носил в вещмешке лекции Эйнштейна по физике. После войны Басов поступил в МИФИ, чуть ли не случайно увидев объявление о дополнительном наборе на зимний семестр.
Басов и Прохоров познакомились после войны и обнаружили большое сходство своих научных интересов. В 1952 году они выступили на конференции с докладом, в котором описывали теоретические основы работы мазера. В этом исследовании советские ученые опередили американца Таунса, которому, впрочем, удалось первым создать работающий экземпляр, что стало прямым доказательством справедливости и точности предложенной теории. Как бы то ни было, комитет Нобелевской премии решил, что премии за изобретение мазера достойны все трое.
Еще через два года была опубликована подробная статья Басова и Прохорова о мазерах, после чего изобретатели обратились к теоретической разработке лазеров и заложили основы лазерной физики. Так, на разных континентах ученые проложили дорогу сотням и тысячам новых специалистов, изменивших мир.
В мазерах, созданных Басовом и Прохоровым, использовался аммиак, в современных мазерах применяется водород. Российские водородные мазеры выпускаются в Нижнем Новгороде и считаются одними из самых точных в мире. Именно благодаря мазерам российская система стандартов входит в пятерку по точности.
Ваш маршрут построен
Вы включаете навигатор, чтобы построить точный маршрут до места назначения? Путешествуете самолетом или поездом? Заказываете такси в мобильном приложении? Все эти действия стали возможны в том числе благодаря изобретению мазера.
На каждом орбитальном спутнике установлены атомные часы, которые постоянно отправляют сигнал точного времени на Землю. Спутники каждые сутки калибруются: из наземного центра на них передается точное время, сверенное с фонтанными часами и хранящееся в мазерах. В наземный же центр эти данные поступают из центров по сохранению стандартов времени. В России ведущей организацией является Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений в подмосковном поселке Менделеево.
На каждом орбитальном спутнике установлены атомные часы, которые постоянно отправляют сигнал точного времени на Землю. Спутники каждые сутки калибруются: из наземного центра на них передается точное время, сверенное с фонтанными часами и хранящееся в мазерах. В наземный же центр эти данные поступают из центров по сохранению стандартов времени. В России ведущей организацией является Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений в подмосковном поселке Менделеево.
Мазер Басова и Прохорова из музея МИФИ.
©Wikimedia
Навигатор принимает сигналы точного времени от трех и более спутников и, анализируя их положение в конкретный момент, вычисляет свою позицию. Орбиты спутников известны и просчитаны, навигатор получает обновление этих координат через интернет или напрямую со спутников. Вся эта система вряд ли могла бы работать без мазеров — хранителей точного времени.
Как это ни грустно, но свои нобелевские деньги советские ученые не получили, средства остались во Внешэкономбанке. Впрочем, это совершенно не смутило Басова и Прохорова. Они много и плодотворно работали до самой старости, внимательно следили за воспитанием учеников и развитием новых научных проектов. А мы и сегодня живем в мире, отчасти созданном Басовым, Прохоровым и Таунсом.
Автор — Егор Сенников.
Как это ни грустно, но свои нобелевские деньги советские ученые не получили, средства остались во Внешэкономбанке. Впрочем, это совершенно не смутило Басова и Прохорова. Они много и плодотворно работали до самой старости, внимательно следили за воспитанием учеников и развитием новых научных проектов. А мы и сегодня живем в мире, отчасти созданном Басовым, Прохоровым и Таунсом.
Автор — Егор Сенников.
Отец тульской точности
Как Павел Захаво начал в Туле русскую промышленную революцию
Отец тульской точности
Отец тульской точности
Как Павел Захаво начал в Туле русскую промышленную революцию
Название музея
Название музея
Название музея
Как Павел Захаво начал в Туле русскую промышленную революцию
С этой историей связаны музеи и экспонаты
