Эталон NIST-F2 способен сохранять секундную точность около 300 миллионов лет, что делает его примерно в три раза точнее по сравнению с атомными часами NIST-F1, которые использовались американцами в качестве эталона с далекого 1999 года. Оба устройства используют так называемый "фонтан" атомов цезия, чтобы определить точную длину секунды.
Недавно ученые из NIST впервые поделились с общественностью официальными данными о производительности системы NIST-F2, которая разрабатывалась в течение десяти лет в Международном бюро мер и весов (МБМВ), расположенном недалеко от Парижа (Франция). Специалисты этой организации собирают данные с атомных часов во всем мире для выработки Всемирного координированного время (UTC). По данным МБМВ, NIST-F2 теперь является самым точным в мире эталоном времени.
Эталон времени NIST-F2 является самым современным представителем семейства атомных часов на основе цезия, разрабатываемых специалистами NIST с 1950 года. Являясь основным американским регулирующим органом в области мер и весов, NIST стремится продвигать механизмы атомного хронометража, которые лежат в основе многих элементов инфраструктуры современной цивилизации. Многие современные технологии, используемые нами в повседневной жизни (вроде сотовых телефонов, системы глобального позиционирования (GPS) и электрической сети), исправно функционируют в значительной степени благодаря высокой точности атомных часов. История показывает, что последовательное улучшение механизмов хронометража обернулось ускорением развития нашего общества и интенсификацией инновационной деятельности.
"Мы создаем атомные часы вот уже более 60 лет. И каждый раз, когда появляется более совершенная модель, находятся новые сферы использования атомных часов, о которых мы ранее и не подозревали ", говорит физик NIST и ведущий разработчик NIST-F2 Стивен Джеффертс.
Физики NIST Стив Джеффертс (на переднем плане) и Том Хевнер рядом с атомными часами NIST-F2 на базе "цезиевого фонтана", которые являются новым эталоном гражданского времени в Соединенных Штатах Америки. Фото: NIST
В настоящее время NIST планирует одновременно эксплуатировать как NIST-F1, так и NIST-F2. Сравнение точности двух часов в долгосрочной перспективе поможет ученым продолжить совершенствование данной технологии, которая служит для создания эталонов гражданского времени (среднее солнечное время, отсчитываемое от полуночи) в США. При этом эталоны военного времени (24-часовой формат представления времени) находятся в ведении Морской обсерватории США.
Оба эталона (NIST-F1 и NIST-F2) отсчитывают время на основе измерения состояния ионов цезия, которое меняется 9192631770 раз в секунду. Полученные данные о флуктуациях ионов цезия используются для определения времени в рамках международной системы единиц (СИ). Ключевым отличием новой модели от ее предшественницы является том, что F1 действует при около комнатной температуре (примерно 27 °C или 80 °F), тогда как атомные часы F2 лучше защищены и приспособлены для эксплуатации в гораздо более холодной среде (при температуре минус 193 °С или минус 316 °F). Эксплуатация атомных часов при пониженной температуре резко снижает фоновое излучение и тем самым уменьшает погрешности измерений.
Первичные эталоны вроде NIST-F1 и NIST-F2 активно используются примерно по несколько недель раз в год для калибровки коммерческих эталонных часов вроде водородных мазеров (мазеров на пучке молекул цианистого водорода). Атомные часы NIST также используются для выработки UTC. С технической точки зрения F1 и F2 являются эталонами частоты (эталонными генераторами единиц частоты), то есть они используются для измерения размера секунды в системе СИ и калибровки других часов (время и частота находятся в обратной зависимости).
NIST предоставляет широкий спектр услуг в области синхронизации часов для удовлетворения широкого спектра потребностей клиентов. К примеру, официальное время NIST используется для организации хронометража осуществляемых в США каждый рабочий день финансовых операций на сотни миллиардов долларов. Синхронизацию с атомными часами данной организации могут осуществлять как промышленные предприятия, так и обычные люди, используя для этой цели интернет (по состоянию на начало 2014 года в адрес NIST поступило около 8 млрд. автоматизированных запросов на синхронизацию часов в день со стороны компьютеров и сетевых устройств со всего мира).
По просьбе Итальянской организации по стандартизации специалистами NIST были изготовлены компоненты для второй модели NIST-F2, известной как IT-CSF2, которая будет эксплуатироваться организацией Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) в Турине (Италия).
Эпоха цезиевых атомных часов официально началась в 1967 году, когда секунда стала рассчитываться на основе колебаний атома цезия. С тех пор конструкция цезиевых часов существенно улучшилась, и, вероятно, в будущем процесс совершенствования данной технологии продолжится. Но часы, которые работают на сверхвысоких частотах, вроде тех, что основаны на цезии, вероятно, приближаются к своему пределу производительности из-за относительно низких частот микроволн. В будущем более высокую производительность, вероятно, будет возможно достичь с помощью атомов элементов, которые меняют энергетические уровни при намного более высоких частотах в пределах или вблизи видимой части электромагнитного спектра. Подобные оптические атомные часы разделяют время на меньшие части и могут работать в более чем в 100 раз точнее, чем современные цезиевые эталоны частоты (образцовые цезиевые генераторы частоты). Тем не менее, повышение частоты является лишь одним из множества факторов, которые позволяют улучшать точность подобных эталонов.
