Атомные часы на Земле и в космосе

Научный мир облетела сенсация – из нашей Вселенной испаряется время. Пока это только гипотеза испанских астрофизиков. Но то, что течение времени на Земле и в космосе отличается, учеными уже доказано. Время под воздействием гравитации течет медленнее, ускоряясь при удалении от планеты. Задачу синхронизировать земное и космическое время выполняют водородные стандарты частоты, которые еще называют "атомными часами". Первые атомные часы появились в середине XX века одновременно с космонавтикой. Сегодня их главные потребители – навигация и цифровая связь.

В космосе и на Земле время течёт по-разному. Как утверждают ученые, из-за гравитации. Чем она сильнее, тем медленнее будет идти время. Например, на МКС, которая вращается вокруг Земли на низкой орбите, время на доли секунды течет быстрее, чем на планете. Еще быстрее ход времени у спутников, работающих на высоких геостационарных орбитах.

"Изменение течения времени на станции мы не ощущаем. Потому что летаем мы не на больших высотах и не так далеко от Земли, всего лишь 400-420 километров. И, конечно, если эти изменения есть на какие-то миллисекунды, мы этого никогда не почувствуем", — рассказал космонавт-испытатель отряда космонавтов Роскосмоса Сергей Рязанский.

По теории относительности Вселенная расширяется с ускорением, которое ей придает таинственная "тёмная энергия". Точного определения этому загадочному явлению пока нет. Но есть мнение, что это связано с процессом замедления времени, которое мы воспринимаем как расширение Вселенной.

По словам ведущего научного сотрудника ГАИШ Сергея Попова, время течет по-разному в разных гравитационных полях. Чем ближе к центру Земли, тем больше величина гравитационного поля. Соответственно, на поверхности Солнца время течет не так, как на расстоянии 10 миллионов километров от его поверхности.

С помощью водородных стандартов частоты, которые еще называют "атомными часами", учёные изучают воздействие гравитации. Установленные на космических аппаратах они приводят земное и космическое время к единому знаменателю, то есть синхронизируют.
"Сейчас только у ленивого нет мобильного телефона, но никто не задумывается над тем, чтобы он работал, станции, которые образуют сеть, должны быть жестко синхронизированы по времени. Речь идет о миллионных долях секунды", — отметил начальник лаборатории системы эталонов ВНИИФТРИ Николай Кошеляевский.

Атомному времени столько же лет, сколько и космонавтике. Первые атомные часы появились в середине XX века. Сегодня его главные потребители – навигация и цифровая связь. Водородными стандартами частоты оснащены все спутники ГЛОНАСС. "Оно пронизало всю инфраструктуру, весь транспорт, все системы связи, синхронизации", — подчеркивает Кошеляевский.

Российский эталон точного времени "хранится" в Подмосковье. В научном институте физико-технических и радиотехнических измерений. В мире таких атомных часов 450. Они задают международный стандарт времени.

Сегодня в мире монополисты на точное время две страны – Россия и США. Но если в Америке атомные часы на основе цезия, радиоактивного металла, то в России – на основе водорода, элемента более безопасного и долговечного. Большая часть этих приборов рождается в Нижнем Новгороде. В год здесь выпускают до 20 атомных часов.

У них нет циферблата и стрелок. Этот прибор напоминает железную бочку с проводами. Внутри которой самые передовые технологии – высокоточная радиоизмерительная аппаратура с атомным стандартом. "Атом водорода получается в источнике водорода. Затем поступает молекулярный водород, подается высокочастотное поле и получается низкомолекулярная плазма. Где молекула водорода разваливается на два атома", — рассказал начальник отделения стандартов и эталонов частоты предприятия "Время Ч" Николай Демидов.

Сердце атомного стандарта – специальный источник, в котором хранится водород. Воздействуя на атомы водорода с помощью электромагнитного поля, получают сигнал. Это видно по ярко-малиновому свечению. Затем водород попадает в кварцевую колбу и излучает квант радиоволны.

Материалы, из которых сделаны атомные часы, включают десятки наименований: железо, серебро и кварц, алюминий и кремний. Такой набор не случаен: все материалы уникальны по природным свойствам и каждый играет свою роль. Совершенно удивительным свойством обладает никель. По словам начальника отделения предприятия "Время Ч", "если никелевую тоненькую пластинку нагреть, то, оказывается, сквозь нее прекрасно проходит водород. И никакие другие газы".

Все детали часов тщательно проверяют, ведь не каждый металл выдержит условия вакуума и космической радиации. Надежность приборов рассчитывают с помощью математических моделей.

Перед сборкой все детали атомных часов проходят многоступенчатую обработку. Сначала металл очищают от грязи, щелочи и жира. Для атомного стандарта высочайшие требования стерильности. Затем температурные испытания от минус 50 до плюс 50. Потом установленный на платформу прибор тестируют в условиях вакуума.

Несколько лет назад нижегородцы выполнили заказ Астрокосмического центра Академии наук. И теперь водородные стандарты частоты работают на спутнике "Спектр-Р2 с телескопом "Радиоастрон". Он уже четыре года изучает в режиме интерферометра "темную энергию" и материю Вселенной.

"Впервые активный стандарт частоты успешно работает в космосе на протяжении уже почти 4-х лет, собственно, благодаря тому, что мы запустили такие точные часы в космос, стабильность их находится на уровне 10-14 секунды или по-человечески они уходят на одну секунду за много миллионов лет", рассказал руководитель научной программы "Радиоастрон" Юрий Ковалёв.

Такой же прибор будет установлен и на аппарате Роскосмоса "Спектр-М" с российским космическим телескопом "Миллиметрон". Главное отличие от "Радиоастрона" – новая космическая обсерватория будет работать в другом диапазоне волн.

"Миллиметрон" увидит, как формируются звезды и экзопланеты. И самое главное – заглянет за краешек черной дыры в центре нашей галактики. Именно там, по мнению ученых, из-за чудовищной силы гравитации время почти останавливается.