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 лабораторией системных исследований проблем измерения времени и частоты Сколтеха, рассказал «Коту», чем хороша точность.
Океан не прощает ошибок
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.
Четыре прорыва в измерении времени
1. 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.
3. 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.
4. 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.
Откуда смартфон знает, где он?
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 м. 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 м 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.
Атомное сердце часов
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 в минус тринадцатой степени. 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.
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.
Тайна кремлёвского псевдоспутника
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.
Стандарт частоты#nbsp;— это высокостабильный по частоте источник электромагнитных сигналов: радио- или световых волн. Используется как эталон частоты для высокоточных часов. Например, оптический стандарт частоты — это лазер со стабильной частотой излучения порядка 10 в четырнадцатой степени импульсов в секунду.
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 10 в шестнадцатой степени. 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.
Фото: WikiMedia, Wachiwit/Shutterstoсk; Alexander_P, CarlsPix, nevodka, geogif / Shutterstoсk
Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» № 42 2020 г.