Комментарии 48
"сделай сам" :)
спасибо огромное за огромный труд
Про классические атомные часы вы объяснили, как делается подстройка. Атомы летят через резонатор. Разжевывать вы не стали, но я так понял, что в резонансе все атомы, попавшие на вход, должны в итоге пройти и через масс-спектрометр, а чем больше не проходит, тем сильнее надо менять уплывшую частоту. Так? (кстати, как понять, в какую именно сторону уплыла частота?)
А как подстройка делается в фонтане? Холодный комок атомов взлетел, по нему сделали две вспышки, но измеряли-то что?
стати, как понять, в какую именно сторону уплыла частота?
нужно менять свою частоту очень часто и достаточно широко - тогда куда бы она не уплывала, вы ее найдете.
Т.е. предположим вам нужно ехать по прямой, но у вас руль с люфтом - то вы просто едете немного влево на правой стороне дороги, а когда попадаете на левую сторону дороги - перекладываете руль направо. Если никуда не торопиться - то вполне можно ехать.
как понять, в какую именно сторону уплыла частота?
Именно поэтому сигнал измеряют не в резонансе (где он максимален), а чуть левее и чуть правее. Если резонанс сместится влево, то отклик слева вырастет, справа — упадет. Если резонанс уплывет направо, то наоборот.
В фонтане все то же самое: после второго импульса нужно измерить процент атомов на верхнем/нижнем уровне. Только делается это не масс-спектрометром, а лазером: он настроен в резонанс между нижним и еще одним вспомогательном уровнем. Под действием этого лазера атомы на нижнем уровне будут светиться, атомы на верхнем же ничего не почувствуют.
я правильно понимаю, что гребенка - это такой способ, чтобы одновременно мерять импульсы не просто "чуть левее и чуть правее", а в нескольких точках (и потом восстановить точную частоту еще лучше) ?
Нет, это совсем другое.
Сердце часов — это узкий лазер. Атомы позволяют зафиксировать его частоту чтобы она не дрейфовала. Гребенка нужна, чтобы сравнивать частоту лазера с другими лазерами или радиосигналами.
Иными словами, атомы — это маятник, гребенка — это набор шестеренок, ведущих к стрелкам часов.
Спасибо за цитату из Законов Мёрфи (про человека с двумя часами), перечитаю всю книжку заново :)
Вообще, припоминаются слова в книжке «между двумя уровнями сверхтонкой структуры цезия». Это, конечно, меняет до ГГц частоты кванта для перехода именно электрона.
Радио- и микроволновых переходов в атомах много, в основном из-за сверхтонкого расщепления.
Есть еще, например, важная в астрономии линия 21см нейтрального водорода, которая соответствует двум разным спиновым конфигурациям.
берётся как абсолютное
А разве оно берется как абсолютное? Эталоном является атом. Масса Земли и создаваемое массой замедление времени нам известно, эталонное время на эталонной высоте тоже (как раз по остальным атомным часам). Берем атомные часы, по разнице показаний с эталонном считаем уровень замедления, из нее получаем разницу в высоте. Если результат не сошелся с другими измерениями, значит что-то под вами усилило замедление времени и нужно звать геологов. А погрешность от магнитного поля и температуры проверяется через повторение расчетов
Масса Земли и создаваемое массой замедление времени нам известно,
откуда известно? Их экспериментов с атомными часами. Т.е разница во времени в первую очередь была обьяснена кривизной времени. Не тех.процессами, которые по проводам в атомных часах может быть на высоте, в другой температуре, при ином магнитном поле итд. не так протекают как на земле.
И хоть я и получу кучу минусов от ярых защитников, которые и доли критики или вопросов по этой теме не выносят. Это не имеет право для дискусси. Сразу будут претензии- ты физик? Нет. Ну тогда и молчи. Но мне кажется, что природа ищет или делает простые пути. Постоянное изменение времени- это сложность. Да, я не физик, но чувствую, что это не правильная теория. Потому что не вижу никакой критической дискуссии вокруг этой теории. Мне интересно, при подсчёте возраста вселенной, нашей галактики, солнца итд. какое время и как используется? И используется ли вообще? Или используется когда удобно, а когда не удобно, потому что и правда сложно или невозможно, то и пренебречь можно...
откуда известно? Их экспериментов с атомными часами. Т.е разница во времени в первую очередь была обьяснена кривизной времени. Не тех.процессами, которые по проводам в атомных часах может быть на высоте, в другой температуре, при ином магнитном поле итд. не так протекают как на земле
А разве из них? Замедление было предсказано уравнениями теории относительности, часами оно проверяется. Схема получается такая, из уравнений мы знаем что есть замедление времени, по ним высчитывается ожидаемое замедление на высоте. Кроме того, из наблюдений нам известно что частота колебаний атомов имеет крайне стабильную частоту. Благодаря низкой температуре мы уменьшаем внешние шумы на часах, благодаря лабораториям в разных странах исключается влияние ошибок в конструкции и факторов космических лучей. Поставив часы, синхронизированные с остальными часами (взяв их как эталон) на условную башню мы получаем незначительное отставание. Несколько раз повторив эксперимент на других башнях и с другими часами, мы получаем что отставание вызвано внешним фактором, единым для всей планеты. Повторив это на спутниках, можно исключить влияние атмосферы. Ну а дальше можно сравнить с расчетами и получить что замедление укладывается в расчеты по гравитационному замедлению и принять что именно масса является причиной отставания.
Время не изменяется, оно идет всегда, просто один и тот-же эталонный промежуток для объекта около значительной массы займет большее локальное время. Вопрос лишь в том, что нам известно только локальное, и получить действительное мы можем только распределив часы по площади, максимально минимизируя вносимую погрешность. До тех пор пока часы и то, что от их точности зависит находится в достаточно похожих условиях проблем нет, но думаю в будущем, когда квантовые эффекты начнут измерять в лаборатории на Марсе, придется там-же создавать и часы.
В расчетах возраста галактик используются расчеты и оценка состава звезд, которая зависит именно от локального времени данного объекта, так что замедление серьезной роли не должно играть до тех пор, пока какая-то звезда не станет из-за существования около черной дыры старше Вселенной, но и тогда эта звезда станет не более чем уникальным феноменом, причины которого и будут выяснятся (Все равно черная дыра сама по себе не уйдет достаточно далеко, что-бы ее можно было пропустить в поисках причины превышения возраста).
Ну и последнее, Вселенная. Что-ж, а мы и не знаем сколько ей. У нас есть формулы по которым она должна была существовать при условии что законы физики в то время были такими-же, модели как она могла выглядеть и наблюдения, на данный момент подтверждающие расчеты. По ним и подсчитали возраст Вселенной и он будет таковым, пока не будет опровергнута текущая физика (Большой Адронный Коллайдер), либо наблюдения космоса не покажут чего-то, что нельзя будет объяснить текущей моделью Вселенной, физики и космической историей. К примеру, те-же сферы Шварценгольда
Единственное, на что вы не обращаете внимание- это то, что этими часами наблюдается - только разница в протекании процессов. И так как эти приборы 'вроде' созданы для подсчёта времени, то и разницу вы интерпретируете как замедление времени, а я говорю, что это ничто иное как просто разница в протекании и результатах этого тех. процесса, который в атомных часах заложен. Те. это не время меняет свою скорость, а мы неправильно интерпретируем разницу в результатах.
Но, как я и сказал - я не физик и экспериментальной над этим не работаю. Поэтому использовал эту хорошую и информативно статью для того, чтобы своё не-научное мнение высказать.
Спасибо за разьеснение.
Вы не находите странным совпадение 'изменения параметров процесса' с предсказанной величиной разности хода времени согласно ОТО и СТО ?
При том, что расчеты не учитывают техпроцесс вообще. Тогда как раз потребовав запрошенной вами 'простоты' можно заключить, что этот параметр - "скорость хода времени", потому что никаким другим общим параметром теория и данный процесс не оперируют.
Другой вопрос в том, что время можно измерять в принципе только относительно какого-то циклического процесса. В этом смысле если "нечто" изменяет скорость протекания всех циклических процессов - это и есть изменение хода времени.
мне кажется, что природа ищет или делает простые пути. Постоянное изменение времени- это сложность
Ну а теорфизик вам скажет, что ему кажется что нет ничего проще чем постоянное изменение времени, как два байта отослать. Вы же понимаете принципиальную субъективность "простоты" в таком выражении? В физике, кстати, существует способ формализовать простоту такой величиной как "действие", и принципом наименьшего действия. И уравнения ОТО как раз получены в результате применения этого принципа (там вроде Гильберт постарался).
Я с вами полностью согласен, что мы измеряем время в сравнении с каким-то циклическим процессом. Но. Ведь и протекание процесса поддаётся воздействию внешних сил. Тем боллее таких как гравитация. Как бы мы это не изолировали. И тогда мой вопрос - где гарантия, что то изменение, которое мы наблюдаем - это связано с замедление времени, а не с замедлением процесса? Но я не требователен. Это просто вопросы, которые я задаю в первую очередь себе.
С точки зрения прикладной физики неважно замедление времени или разница в протекании.(до тех пор пока результаты измерения совпадают с предсказаниями) - задача физики именно успешно предсказывать результат.
Если результаты меняются в зависимости от высоты в соответствии с СТО, то что бы объяснить это изменение по другому мы должны сказать, что СТО тут (или везде) не работает и дать объяснение, которое как минимум не хуже СТО.
Дискуссий много было и сейчас есть, по большей части в среде физиков.
Моя история скорее про гонку за максимальной точностью, поэтому туда много чего не вошло.
Chip scale clock — это не то, чтобы изящно, зато очень просто. Там стоит крохотная стеклянная ампула с рубидием, резонанс которого ищут лазером на просвет. То есть дикое допплеровское уширение, широченные резонансы, но в целом получается дешево и довольно неплохо для некоторых задач.
ну не совсем так. Благодаря эффекту когерентного пленения населенностей почти все оптические уширения (включая допплеровское) убираются, и реализуются килогерцовые ширины линий - хуже, чем в классических стандартах на ячейках, но вполне неплохо (допплеровское уширение на этой длине волны составило бы сотни мегагерц)
Вообще вы правы. Мне не приходилось с рубидиевыми стандартами работать, поэтому подзабыл этот момент.
Может быть, вы знаете, какие там пределы погрешностей сейчас и чем они задаются?
Про то, что достигнуто сейчас - на сайт Symmetricom (Microsemi) уже дали ссылку) погрешности - как всегда, старение газовой смеси, нестабильность магнитного поля,сложности стабилизации температуры в одном объеме с лазером, деградация поляризационных характеристик излучения. Кратковременные нестабильности определяются широкой (несколько сотен МГц) линией VCSEL лазера и низким (несколько % от полного поглощения) контрастом сигнала, который получается в простейшей (компактной) версии КПН, когда две резонансные с атомными переходами гармоники лазерного излучения не разделены по поляризациям.
В последние годы физики с компактных стандартов на КПН (которые, по сути, являются стандартами частоты радиодиапазона) переключаются на компактные стандарты оптического диапазона на ячейках с щелочными металлами. Вот здесь описан самый на сегодня популярный вариант - на двухфотонном резонансе в Rb. С оптической гребенкой и всеми делами)
Кстати, мне показалось, что говоря во введении к Вашему обзору о добротности, Вы упускаете вторую определяющую характеристику - отношение сигнал/шум, которое вместе с шириной резонансной линии определяет кратковременную стабильность. Есть даже такой термин - "фактор качества" Ф резонанса (отношение сигнала к шуму в полосе 1 Гц и к ширине резонансной линии), причем предельно достижимая кратковременная стабильность просто равна 1/Ф.
И еще одно замечание: Вы смешиваете дробовой шум (он же - фотонный шум, т.е. принципиальный шум, возникающий при регистрации света) с атомным проекционным шумом. Ваше "бросание монетки" - это аналог именно атомного проекционного шума. И дробовой, и атомный шумы принципиально неподавимы, но в правильно разработанной системе атомный шум должен доминировать над дробовым. Чтобы этого достичь (а это очень непросто), применяют всякие фокусы вроде квантового неразрушающего измерения (QND).
И спасибо за Ваш обзор, огромная работа проведена)
По характеристикам тот же рубидиевый стандарт частоты. Только меньше габаритные размеры и энергопотребление, ну и основан на квантовом эффекте открытом в 70-х годах, который позволил отказаться от резонатора в конструкции, что несколько уменьшает влияние механический вибраций на характеристики.
Ну никаких новых квантовых эффектов там нет. И вибрации пучковым стандартам не мешают, основные проблемы в них — неоднородность поля и эффект Доплера.
Стабильность у рубидиевых стандартов похуже, чем у пучковых. Но зато маленькие и дешевые, это да.
Мы сейчас говорим о миниатюрных атомных стандартах частоты, которые работают на основе эффекта когерентного пленения населенностей (открытый в 70-х годах, про новое я вроде не писал) и не имеют резонатора, что позволило ещё уменьшить размеры. В рубидиевых стандартах есть резонатор, изменение его параметров влияют на частоту стандарта, таким образом выясняется, что на них сильно влияют внешние вибрации, что сильно беспокоит потребителя (связистов).
https://www.microsemi.com/product-directory/clocks-frequency-references/3824-chip-scale-atomic-clock-csac
Ну да, я про них и говорю.
Вибрации не влияют на резонатор, скорее на оптику или кварц. Когерентное пленение населенностей (и другие способы обойтись одним лазером) — это не про борьбу с вибрациями, а про миниатюризацию. Ценой ухудшения стабильности на пару порядков, разумеется.
Вот хороший обзор про рубидиевые стандарты.
Голословно. Возьмите рубидиевый стандарт и постучите по нему пальцем, частота будет прыгать вплоть до 1Е-9 (можете стучать не по кварцу). Стабильность миниатюрных стандартов на КПН эффекте 1Е-11, у рубидиевых стандартов 1Е-11, говорить о ухудшении в сотни раз, как-то грубо. Опять же последние статьи показывают, что на эффекте КПН можно добиться характеристик по нестабильности порядка 1Е-15 на интервале времени усреднения одни сутки. Это как бы намекает о большом потенциале и в скором времени стать заменой рубидиевых стандартов.
В начале нулевых одному из наших клиентов потребовались рубидиевые стандарты частоты, они нашли самые лучшие по их мнению в Великобритании, попросили нас их купить. Через месяц пришли красивые коробочки с инструкциями и надписями на правильном английском. Внутри лежала серая картонная коробка с надписью - "Изделие ЩЯ....(много цифр)". Параметры изделия оказались лучше заявленных.
Спасибо за статью!
Поздравляю с публикацией в Nature!
Поучавствовать в тусовке хранителей точного времени на планете можно даже если у вас нет атомных часов. Для этого есть ntp.org - там люброму новому участнику рады :-)
Лучше не спрашивать который час у физиков. Чуть отвернешься - а они уже коллайдеры начали строить.
Для тех, кто тоже пытается понять, как работает получение частоты f0 в частотных гребенках, вот обзорная статья про frequency comb.
Что я понял:
Основное уравнение гребенки это:
Согласно статье, типичное значение для оптических гребенок 
, а частота 
обычно лежит в микроволновом диапазоне. Также 
.
Тогда, если построить разностный по частоте сигнал, то получится:
Но чтоб найти октаву, получается, всё равно нужно частоту измерить, чтобы определить начальное N?
Под спойлером картинка из обзора.
Hidden text
ав
Наверное, самые неточные, но и самые маленькие атомные часы. Наручные.
И не какие-нибудь, а аж цезиевые HP 5071A ;)
Спасибо, прекрасная статья с отличными иллюстрациями. Хотелось бы добавить свои пять копеек: стандарты частоты делятся на активные (излучают сами) и пассивные (с опросом). Как то нивелируется значение водородных мазеров (на графике долговременная стабильность приведена видимо для пассивных мазеров), а ведь шкалу времени сейчас на 80-90% случаев хранят именно на активных водородных мазерах. https://webtai.bipm.org/ftp/pub/tai/other-products/weights/w22.06 (номера 40-41 с весами более 1). Фонтаны являются "реперами" частоты и для их работы используются те же водородные мазеры. Опять же потенциал водородных мазеров еще не исчерпан https://vniiftri.ru/activity/dissertation_council/preliminary_consideration/dissertatsionnaya-rabota-polyakova-v-a/ Ну и наконец, лучшие (по стабильности) коммерческие атомные часы производятся в нашей стране https://www.vremya-ch.com/russian/index.html Еще раз спасибо за статью
Спасибо за комментарий. Я не стал рассказывать про пассивные и активные мазеры, это слишком технический момент. Но да, это проверенные рабочие лошадки, которые за сутки уходят всего лишь на 10-15.
Только представьте себе: кусок кремния может несколько суток хранить время лучше, чем любые атомные часы такого же размера!
ULE - резонатор? Вероятно криогенный ? Есть небольшое отличие - у атомных часов номинал частоты привязан к атомному переходу. С коррекцией дрейфа частоты (она у водородных мазеров практически линейна) 10-16/сутки и ниже у активных мазеров....интересно как померили дисперсию 10-17...можно ссылку на статью или название
Да, криогенный, только не ULE, а кремниевый. Причем у него zero crossing (когда коэффициент теплового расширения меняет знак, то есть становится нулевым) при <4 K и 124 К, поэтому достаточно жидкого азота. Дрифт частоты у него тоже линейный.
Вот одна из свежих работ. Сейчас они думают заменить аморфные зеркала на кристаллические; какая там будет стабильность, когда у них это получится, страшно представить ;)
Как это устроено: атомные часы