«До покемона — 4,815162342 см»

«До покемона — 4,815162342 см»

// Зачем нужны сверхточные часы
Авторы: Никита Лавренов

Чтение этой статьи займёт у вас минут десять. Но это не точно. И тем более не сверхточно. Современные часы умеют измерять время с точностью до триллионных долей секунды. Только этого мало. Российские учёные создали прототип ещё более сверхточных часов. Иван Шерстов, заведующий в Сколтехе лабораторией системных исследований проблем измерения времени и частоты, рассказал «КШ», чем хороша точность.

Океан не прощает ошибок

Иван шерстов заведующий лабораторией системных исследований проблем измерения времени и частоты Сколтеха

Время по определению относительно, и первые часы — приборы для его измерения — появились тысячи лет назад, задолго до нашей эры. В повседневной жизни человеку в большинстве случаев нужно либо определить время суток: утро, день, вечер — с этим прекрасно справляются простейшие солнечные часы, либо засечь какой-то временной интервал, чтобы, например, сварить яйцо в мешочек, — для этого хорошо подходят песочные или водяные часы. Так что многие тысячи лет простейших часов вполне хватало для бытовых нужд.

Точные часы впервые понадобились мореплавателям в эпоху Великих географических открытий — чтобы переплыть океан. Определить без часов широту ещё можно — например, по высоте Полярной звезды над горизонтом. А вот долготу без часов не установить. Сколько кораблей из-за этого после шторма сбилось с курса или было унесено течением!

Именно для морской навигации в первой половине XVIII века английский механик Джон Харрисон изобрёл точные механические часы, которые позволили измерять время с точностью до минут и за сутки убегали не более чем на несколько секунд.

Откуда смартфон знает, где он?

4 прорыва в измерениях времени

Песок или вода — учёным до сих пор не ясно, на чём работали первые часы. Среди найденных археологами часовых механизмов водные более древние. Их использовали в Персии, Вавилоне и Египте 3500 лет назад.

На смену девним гаджетам на песке и воде в Средние века пришли маятники, которые братья Харрисоны доработали до анкорного механизма. Эти механизмы позволили создать хронометр для морской навигации, первый рабочий прототип которого датируется 1730 годом. Джон Харрисон за это изобретение получил премию британского правительства, эквивалентную почти 5 миллионам современных долларов.

Братья Жак и Пьер Кюри в 1880 году открыли пьезоэлектрический эффект в кристаллах кварца: от механического воздействия эти кристаллы выдают электрический заряд, а под действием тока, наоборот, изменяют форму. Это открытие позволило в дальнейшем и «услышать» ультразвук, и создать в 1920-е годы резонатор для часов, убегающих всего на 0,3 секунды за месяц.

Тоже следствие трудов семьи Кюри (только уже Пьера и Марии), хотя супруги не подозревали о таком приложении своих открытий. «Официально» атомные часы изобрели 13 августа 1955 года: в журнале Nature вышла статья с описанием квантового стандарта частоты на основании колебаний электронов (а точнее, их переходов с одного энергетического уровня на другой) в атоме цезия.

Вы имеете дело со сверхточными часами каждый раз, когда пользуетесь навигатором. Они находятся на борту спутников глобальных навигационных систем, таких как GPS и ГЛОНАСС, и выдают сигнал времени, который получает смартфон с помощью встроенного приёмника. Зная расположение спутников и скорость распространения сигнала (помните, чему равна скорость света?), программы вычисляют расстояние от смартфона до спутника.

Расстояние до спутника — это поверхность сферы. Пересечением расстояний до двух спутников будет пересечение двух сфер, то есть уходящая в космос и пересекающая Землю окружность (сумели представить?). Когда приёмник получает сигнал от трёх спутников, его позиция определяется пересечением трёх сфер — одной или двумя точками. На практике используется сигнал от четырёх спутников: вычислив расстояние до каждого из них, устройство на Земле устанавливает свои координаты.

Насколько они будут точными, зависит от точности и стабильности часов на борту спутника. Характеристик нынешних спутников достаточно, чтобы определить геопозицию с точностью от 1 до 10 метров. Наглядное тому подтверждение — поведение навигатора в автомобиле. Едете вы себе по дороге, а он внезапно сообщает: «Маршрут перестроен». А мог бы сказать: «Я просто обнаружил, что вы теперь едете не по проспекту, а по дублёру». Это происходит потому, что позиция для навигатора — это пятно радиусом около 10 метров или больше.

Я на автопилоте

Для беспилотного автомобиля такой точности явно недостаточно. Его габариты около двух метров, а точность геопозиции — всё те же десять. Да, беспилотники обвешаны датчиками, которые смотрят во все стороны, не моргают и не отвлекаются на сообщения, звонки или пассажиров. Они во многом лучше людей. Но если такой автомобиль собьёт человека, то измерять расстояние датчиками беспилотника, которые произвела компания-владелец, будет некорректно. Возникает конфликт интересов. Независимую оценку — находился автомобиль во время ДТП на пешеходном переходе или был где-то рядом — может дать независимая система геопозиционирования.

Высокая точность определения координат нужна, конечно же, и в современном судоходстве: корабли давно пересекают моря и океаны на автопилоте, а вот для швартовки необходима точность до метра, чтобы учитывать волнение моря. Сейчас суда швартуются вручную. Самолёты летают на автопилоте тоже по системам позиционирования: диаметр воздушного коридора — сотни метров, что, впрочем, соответствует габаритам летательного аппарата. Но для автоматических взлёта и посадки нужна точность до 10 см, поэтому пока эти процессы требуют контроля пилотов. 

Глобальные системы позиционирования полностью определяют развитие двух областей. Первая — это автоматический транспорт: беспилотные автомобили, воздушные и морские суда, дроны-доставщики (чтобы пиццу да прямо в окно) и системы, использующие данные о местоположении, — в английском это называется local based services. Вторая область постоянно расширяется: это таргетированная реклама, системы виртуальной и дополненной реальности. Допустим, вы гоняетесь за покемонами в приложении, и его виртуальным габаритам достаточно существующей точности позиционирования, а маленьким объектам в виртуальной реальности — уже нет. 

Ловить покемонов, конечно, интересно не всем. Кто-то страстно любит собирать грибы и, возможно, был бы не прочь делать это круглый год, а не только в сезон. Сверхточная геопозиция позволит создать приложение, в котором грибочки можно будет искать когда и где угодно — виртуальные, разумеется. Зато наперегонки с другими пользователями. Такая игра пришлась бы по вкусу, например, пенсионерам. Зашёл на кухню, глядь под табурет: «О-о-о, подосиновик!» Заглянул в прихожую — срезал смартфоном семейку лисичек за этажеркой для обуви. И дополненную реальность освоил, и чемпионом подъезда стал!

Смартфон — самый распространённый гаджет на планете. Он есть у каждого второго жителя Земли (посчитали, сколько смартфонов?). Это огромный рынок, который продолжает расти, и более точные системы позиционирования открывают для него головокружительные перспективы.

Схема хронометра

Атомное сердце часов

Стандарт частоты — высокостабильный по частоте источник электромагнитных сигналов: радио- или световых волн. Его используют как эталон частоты для высокоточных часов. Например, оптический стандарт частоты — это лазер со стабильной частотой излучения порядка 1014–1015 импульсов в секунду.

Возможность сверхточного определения местоположения упирается в точность измерения времени на спутнике. Зная время отправки и получения сигнала, можно вычислить расстояние от спутника до приёмника. Для этого скорость света умножается на время прохождения сигнала. Скорость света, как вы помните, равна примерно 300 000 км/с. Погрешность в данных о времени всего лишь в сотую долю секунды даёт ошибку в позиционировании примерно в 3000 км. Позиционирование с точностью в ±3000 км — штука бесполезная, поэтому современные спутники систем позиционирования снабжены точными и стабильными часами.

Чтобы точнее измерить время, нужно повысить частоту колебаний осциллятора. Современные спутники оснащены атомными часами, которые постоянно сравнивают частоту колебаний кварцевого генератора с частотой перехода электронов в атоме с одного уровня на другой. Неточность таких часов составляет порядка 10-13. В теории этого достаточно, чтобы выдавать геолокацию с точностью менее метра, но в земных условиях, когда сигнал спутника может отражаться строениями или неконтролируемо замедляться в атмосфере, точность позиционирования оказывается гораздо ниже. 

Тайна кремлёвского псевдоспутника

Точность и стабильность — ключевые добродетели часов

В сердце любых часов находится осциллятор — система, совершающая периодические колебания. Эти колебания подсчитывает делитель частоты, и с помощью счётчика данные о колебаниях переводятся в нужную шкалу времени. Вместе эти три элемента образуют хронограф.

Частота колебаний осциллятора задаётся при конструировании часов. Хронограф подсчитывает точное число колебаний и определяет, сколько времени прошло с того или иного момента. Точность характеризует, насколько фактическая частота колебаний отличается от заданной, а стабильность — насколько велик разброс данных о частоте.

Для большей наглядности представьте изрешечённую стрелком мишень. Если выстрелы кучно легли где-то с краю, то стрелка можно охарактеризовать как стабильного и неточного. Если стрелок попадал вокруг да около яблочка с разных сторон, значит, он умеренно точный, но не стабильный. Если же выстрелы сгруппированы в центре, то стрелок и точный, и стабильный. Переводя эту метафору на время — точными часами будут те, что регистрируют больше знаков после запятой в долях секунды, а стабильность характеризует, насколько часы убегают.

Российские учёные из Физического института РАН в коллаборации со Сколтехом, АО «Российские космические системы», Институтом лазерной физики СО РАН и компанией «Авеста» недавно создали часы с ещё более высокочастотными колебаниями. Они основаны на подсчётах колебаний электрона в единичном ионе иттербия в оптической ловушке. Был разработан и новый оптический стандарт частоты. 

До недавнего времени самые компактные, действительно транспортируемые оптические стандарты частоты были в Германии: устройство целиком занимало фургон для перевозки лошадей. И выглядело как лаборатория, в которой помещаются сложная оптическая система, электроника и два профессора. Отечественная разработка гораздо миниатюрнее: её габариты составляют менее кубического метра — этакий мини-бар с тачскрином для управления, розеткой 220 В и выходом сигнала на частоте 1 ГГц с небывалой точностью 1016. Такая точность позволяет определять позицию уже до сантиметров и даже миллиметров. 

Чтобы отправить такой прибор в космос, его объём необходимо уменьшить в 20, но лучше в 30 раз, а массу до 50 кг. Это вполне посильная задача, запуск намечен на конец десятилетия. Но уже в нынешней форме устройство может помочь в решении задач на Земле.

Можно, например, сделать псевдоспутник, который будет работать по тому же принципу, что и глушители сигнала. Возможно, вы замечали: когда едешь мимо Московского Кремля, навигатор неожиданно начинает показывать, что вы где-то далеко от центра, скажем во Внуково. Дело в том, что рядом с Кремлём стоит излучатель (псевдоспутник) и на частоте спутников, которые летают в космосе, подаёт сигнал — более сильный, чем от космических, так что смартфон к нему цепляется, а правильный сигнал не видит.

Псевдоспутник со сверхточными часами будет раздавать сигнал точнее космического и повысит точность позиционирования вплоть до миллиметров. Правда, лишь локально. Такая технология может пригодиться и в городе, и в глухой тайге: в дорожном строительстве, например, увеличение ширины дороги на 10 см обходится в два миллиона евро за каждый километр.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №1 (42) за октябрь 2020 г.