Протягом багатьох тисячоліть людство вчилося визначати точний час за обертанням нашої планети. Насправді цей метод підрахунку періодів виявився не зовсім точним, адже Земля з часом сповільнила свої оберти та почала робити це нерівномірно. У пошуках надточності вчені знайшли спосіб вимірювати час, використовуючи власні коливання, що відбуваються всередині атомів і молекул. Годинники, які працюють за цим принципом і логічно отримали назву атомних, мають похибку всього 1 секунду за 100 мільйонів років. Такі хронометри важливі для навігації, особливо космічної, для супутникових і наземних телекомунікацій, мобільного зв’язку, платіжних систем у фінансових транзакціях, синхронізації компонентів Всесвітньої павутини - інтернету та багато чого іншого🌍📡
Принцип роботи атомних годинників ⚙️🔬
Спробуємо пояснити цей процес простими словами. Будь-які годинники мають два основні елементи:
механізм, що коливається у постійному ритмі;
пристрій, який підраховує ці ритми та показує поточний час.
Протягом століть коливання, тобто ритми, створювали предмети, виготовлені майстрами-годинникарями. Це могли бути рухи маятника у старовинних підлогових годинниках або мініатюрний кварцовий генератор у наручних електронних годинниках, який видавав імпульси певної частоти. Однак створити ідеальні параметри маятника чи кварцового кристалу, які були б абсолютно незалежні від зовнішніх впливів, практично неможливо. Тому створені людиною годинники не можуть бути ідеально синхронізовані між собою й отримати статус стабільно надточних.
До недавнього часу механічні чи кварцові годинники задовольняли людину. Проте уявлення про точність часу змінилося після того, як вчені глибше проникли у структуру атомів, а вимоги до точності індикації часу зросли у багато разів. Згадаємо хоча б сучасне визначення секунди, у якому міжнародна система одиниць СІ пов’язує «одну секунду» з «електромагнітним випромінюванням, що виникає при переході атома цезію-133 між двома надтонкими рівнями основного стану». Вийшло досить науково, навіть якщо ми хотіли простіше.
Важливе уточнення: ізотоп цезію стабільний, не піддається радіоактивному розпаду, поширений у природі та абсолютно безпечний для людини. Але для вимірювань він має перебувати в стані майже повного спокою, для чого його охолоджують майже до абсолютного нуля: мінус 273,15 °C. ❄️
Основні компоненти атомних годинників:
квантовий дискримінатор - пристрій, що порівнює частоту електронного генератора з частотою власних коливань атомів;
кварцовий генератор, який усе ж залежить від точності виготовлення кристала кварцу, тому стабільність його імпульсів далека від атомних коливань;
чутливий електронний комплекс, що керує всією системою, фіксує атомні переходи та визначає точність ходу годинника.
Існує кілька типів атомних годинників: цезієві, рубідієві, стронцієві, ртутні, водневі мазери.
Переваги атомних годинників над традиційними механічними та кварцовими:
Точність. Коливання або «тики» відбуваються частіше, ніж у звичайних годинниках, що підвищує точність.
Стабільність. «Тики» не залежать від температури, тиску, гравітації, зовнішніх полів чи інших факторів середовища.
Універсальність. Це власні частоти коливань - константи для всіх атомів.
Безперечно, атомні годинники також мають недоліки. Якщо йдеться про наручні атомні годинники або радіокеровані моделі, що приймають сигнали синхронізації з реальних атомних годинників, наприклад, у штаті Колорадо (США), то на точність впливають географічні та атмосферні обмеження, відстань, нестабільність сигналу. Водночас бездротові цифрові годинники отримують оновлення часу кожні 20 секунд. Більшість моделей можуть працювати по всьому світу, синхронізуючись із радіосигналами з різних країн: США (WWVB), Великої Британії (MSF), Німеччини (DCF77) та Японії (JJY)🌐
Трохи історії 📜
Ідея створити атомні годинники виникла у британського фізика Вільяма Томсона ще у 1879 році. Однак першими їх реалізував Ісідор Рабі, лауреат Нобелівської премії та професор фізики Колумбійського університету (США), який представив їх у 1945 році. Перші атомні годинники, що працювали на основі коливань атома цезію-133, з’явилися у 1958 році. Спочатку це був складний інженерний пристрій, створений для супутникових навігаційних систем.
Здавалося б, навіщо такі надточні годинники у вигляді наручних? І все ж у 2013 році американська компанія Bathys Hawaii виготовила робочий прототип такого аксесуара під назвою Cesium 133. Заявлена точність становила відхилення в 1 секунду за тисячу років. У компактній мікросхемі містилася капсула з газоподібним цезієм, лазер і фоточутливі елементи. Корпус виготовляли з карбону, а сам годинник показував не лише точний час, але й дату та фази Місяця🌙
Можна сказати, що у повсякденному житті такі годинники не є необхідними. Але насправді це справжнє диво інженерної думки, синергія годинникового мистецтва й науки, що забезпечує їхній постійний розвиток. Яскравим підтвердженням цього є розширення професійних горизонтів швейцарської компанії Rolex.
Атомні перспективи Rolex ⌚🚀
У травні 2025 року всесвітньо відомий бренд розкішних годинників Rolex оголосив про створення нової компанії Rolex Quantum SA, яка працюватиме поруч із державною астрономічною обсерваторією Невшателя. Саме тут розташований Швейцарський центр електроніки та мікротехнологій (CSEM) - лабораторія атомного часу, яка разом із Rolex уже створила нову систему еталонних атомних годинників. Такі аксесуари розроблятимуть і випускатимуть окремо від основної продукції компанії.
Прототипи атомних годинників Rolex уже довели свою ефективність і пройшли випробування у Швейцарському федеральному інституті метрології (METAS). Це компактні оптичні атомні годинники розміром 48 мм на основі рубідію, які працюють у цілодобовому режимі. Результати вражають: протягом тижня відхилення ходу не перевищило 300 пікосекунд (1 пікосекунда - це одна трильйонна частка секунди). Rolex уже використовувала ці прототипи як еталонні інструменти для вимірювання часу на своїх мануфактурах у Женеві та Б’єні.
Нова компанія Rolex Quantum SA займатиметься розробкою та продажем атомних годинників для телекомунікацій та глобальних систем вимірювання часу. Крім того, атомні годинники Rolex стануть у пригоді тим, хто працює в умовах підвищеного навантаження: військовим, рятувальникам, медикам. До того ж годинники на нових фізичних принципах є стильними й зручними, особливо якщо ви часто перетинаєте часові пояси або цінуєте пунктуальність. Отже, атомні годинники - це про прогрес, технології майбутнього та прагнення людини пізнавати світ у всьому його різноманітті🌌✨
