История лазера. Научное издание
Шрифт:
Рта единица, секунда, определялась как 86400-СЏ часть средних солнечных суток, получаемых астрономами, рассматривающих замкнутое движение Земли РїРѕ орбите РІРѕРєСЂСѓРі Солнца (эфемиридное время). Р—Р° образец принималась средняя продолжительность 1900 Рі. Рта единица измерений времени была принята Генеральной Ассамблеей Мер Рё Весов РІ 1960 Рі. (РѕРґРЅР° секунда определялась как 1/31 556 925, 9747 часть 1900-РіРѕ РіРѕРґР°).
Однако требования на стабильность маятниковых и кварцевых часов не могли быть удовлетворены в отношении наиболее важного критерия, а именно, независимая воспроизводимость.
Развитие атомной теории и, в частности, заключение, что атомы данного химического элемента все одинаковы, позволяло принять за основу единицу измерения, связанную не с Землей, но с самим атомом. Уже Максвелл и лорд Кельвин предложили использовать в качестве единицы измерения длины и времени длину волны и соответственно частоту излучения, испускаемого подходящим атомом. Например, водорода, в простейшем случае, или D-линию натрия, которая очень интенсивна. Однако потребовалось много лет, прежде чем эта идея нашла практическое воплощение. Сразу же после Второй мировой войны Ч. Таунс из Bell Labs и Р. Паунд из MIT предложили использовать микроволновое поглощение для стабилизации генератора.
Рассматривая генератор микроволн, РјС‹ РІРёРґРёРј, что РїРѕ РјРЅРѕРіРёРј причинам его частота РЅРµ остается строго стабильной РІРѕ времени, РЅРѕ испытывает малые случайные изменения. Поэтому имеется проблема найти пути поддерживать ее стабильной. Решение, предложенное Таунсом Рё Паундом, заключалось РІ том, чтобы использовать молекулу аммиака, которая имеет максимум РІ зависимости поглощения РѕС‚ частоты точно РЅР° частоте 23,8 ГГЦ, причем эта частота РЅРµ изменяется РІРѕ времени. Принцип очень РїСЂРѕСЃС‚. Рассмотрим его для специфического случая аммиака. Предположим, что РјС‹ направляем микроволновое излучение, частоту которого РјС‹ можем изменять вблизи частоты 24 ГГц, РІ кювету, наполненную аммиаком, Рё измеряем мощность РЅР° выходе. Рзменяя частоту, РјС‹ обнаруживаем максимум поглощения как раз РЅР° центральной частоте линии аммиака (23,8 ГГц). РљРѕРіРґР° поглощение максимально, РјС‹ знаем, что частота микроволн, которые РјС‹ посылаем РІ кювету, как раз Рё равна этому значению. Таким образом, достигается стабильность. РњС‹ можем зафиксировать параметры генератора так, чтобы РѕРЅ генерировал точно РЅР° этой частоте. Если РїРѕ какой-либо причине частота генератора изменится, то уменьшится Рё поглощение (С‚.Рµ. увеличится мощность РЅР° выходе), Рё СЃ помощью подходящей системы обратной СЃРІСЏР·Рё РјС‹ можем подстроить частоту генератора так, чтобы получить СЃРЅРѕРІР° частоту максимума поглощения. Ртот метод позволяет контролировать Рё фиксировать микроволновую частоту РІ течение продолжительного времени, используя линии поглощения молекул.
В период 1947-1948 гг. Таунс и его коллеги построили и запатентовали устройства стабилизации генератора на клистроне, используя аммиак. Но для того, чтобы построить часы, нужно было поделить высокую частоту на фактор порядка тысячи, чтобы перенести стабильную частоту в область мегагерц, где новые часы можно было бы сравнить с уже существующими часами.
РџРѕ настоянию Таунса, Гарольд Лионе (19131991), ответственный Р·Р° подразделение РїРѕ микроволновым стандартам РІ Американском Бюро Стандартов, РІ августе 1948 Рі. построил стандарт частоты СЃ использованием аммиака. Р’ 1952 Рі. его РіСЂСѓРїРїР° добилась стабильности РѕРґРЅРѕР№ или РґРІСѓС… частей РЅР° сто миллионов. Рто, однако, РЅРµ РЅР° РјРЅРѕРіРѕ превышало стабильность вращения Земли. Значительные усилия Рљ. РЁРёРјРѕРґР° РёР· РўРѕРєРёР№СЃРєРѕРіРѕ университета привели Рє улучшению стабильности РґРѕ РѕРґРЅРѕР№ части РЅР° 109.
Уже РІ 1948 Рі., РєРѕРіРґР° Лионе уже построил СЃРІРѕР№ первый стандарт СЃ использованием аммиака, РѕРЅ начал программу создания настоящих атомных часов, основанных РЅР° атомных переходах, которые получили название атомных часов. Поскольку РѕРЅ РЅРµ был экспертом РІ спектроскопии, то РїРѕРїСЂРѕСЃРёР» содействия Сѓ РСЃРёРґРѕСЂР° Раби Рё правая СЂСѓРєР° Раби, Поликарп РљСѓС€, разработал концептуальную конструкцию, РІ которой использовался пучок атомов цезия. Цезий уже был всесторонне изучен РіСЂСѓРїРїРѕР№ Раби, Рё РїРѕ СЂСЏРґСѓ причин ожидалась высокая стабильность.
Поликарп Куш (1911 1993) был очень способным экспериментатором. После получения докторской степени по молекулярной оптической спектроскопии в 1936 г. поступил в Колумбийский университет, где вместе с Раби участвовал в пионерских исследованиях метода магнитного резонанса в молекулярных пучках. С помощью этой методики он провел ряд исследований, которые привели к открытию в 1947 г. аномального магнитного момента электрона. За это он был награжден в 1955 г. вместе с Виллисом Е. Лэмбом Нобелевской премией по физике. Во время Второй мировой войны разрабатывал высокочастотные генераторы для радаров. Его лекции, которые он читал звучным голосом (известным как шепот Куша), носили характер проповеди, черта, которую он, вероятно, унаследовал от отца лютеранского миссионера.
Летом 1951 Рі. аппаратура заработала, хотя Рё РЅРµ РІ окончательном РІРёРґРµ. РљСѓС€ фактически пытался использовать методику Рамси РґРІСѓС… полей для точной настройки микроволнового поля. Рто был первый эксперимент, РІ котором использовалась эта методика. Весной 1952 Рі. заработала РІСЃСЏ установка, Рё концу РіРѕРґР° была измерена частота перехода изотопа цезия СЃ массой 133 (было найдено, что именно РѕРЅ самый стабильный РїРѕ своей РїСЂРёСЂРѕРґРµ), для которой было установлено значение 9,192 631 800 ГГц.
Рти положительные результаты также стимулировали Британскую Национальную Физическую Лабораторию построить СЃРІРѕСЋ версию этого устройства, основанного РЅР° той же методике Рамси. Путем сравнения РёС… измерений СЃ точными астрономическими измерениями РІ Гринвиче, Луис Рссен Рё Дж. РџСЌСЂСЂРё установили более точно частоту излучения, как 9,192 631 770 ГГц. Рта частота была принята РІ 1964 Рі. Генеральной Ассамблеей Мер Рё Весов для официального определения секунды (С‚.Рµ. секунда определяется как 9 192 631 770 периодов колебаний перехода РІ атоме цезия). Рто определение делает атомное время согласованным СЃ секундой РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ эфемеридного времени.
Все эти устройства еще не были настоящими часами, в том смысле, что они не давали прямого соответствия с более низкими частотами, которые нужно использовать, чтобы подсчитать секунды. Окончательный шаг был сделан в Лаборатории радиации MIT Дж. Р. Захариасом (19051986), который в 1955 г. успешно построил коммерческую версию атомных часов с использованием цезия, которая получила название атомохрон.
В 1967 г. международный стандарт секунды был определен на основе перехода между уровнями сверхтонкой структуры атома цезия.
В 1990-х гг. были достигнуты несомненные успехи в стабильности и точности атомных часов, благодаря разработке методов захвата и охлаждения атомов с помощью лазеров. Сложные геометрии позволили построить то, что стали называть фонтанными часами. Продолжительность взаимодействия атомволна в атомных часах конечно, и это уширяет пик резонанса в результате принципа неопределенности Гейзенберга по отношению к времяэнергия. Другие эффекты также ограничивают точность этих часов. С помощью лазеров атомы можно теперь относительно легко охлаждать до 1 мкК. При таких температурах тепловая скорость атомов составляет только несколько миллиметров в секунду вместо 100 м/с, которую они имеют при комнатной температуре.