В начале этого года Министерство обороны Великобритании заявило, что Лаборатория оборонной науки и технологий Великобритании разрабатывает первые в стране квантовые часы (атомные часы, созданные с использованием квантовой технологии) для расширения возможностей сбора военной разведывательной информации и наблюдения.

Переход атомных часов из лаборатории на поле боя означает, что точность времени стала важным конкурентным преимуществом в современной науке и технике, а также национальной обороне. От точного наведения ракет до объединения спутников в сеть, от электронных контрмер до беспилотного боя, атомные часы с их предельной точностью «менее одной секунды ошибки за десятки миллионов лет» стали важной частью технологического соревнования между крупными державами.

Как атомные часы "побеждают время"? И как конкуренция вокруг атомных часов будоражит мир?

Поймать пульс времени

Люди часто используют слово «мгновение», чтобы описать, насколько быстротечно время. Преобразуя древнее определение, одно мгновение составляет приблизительно 0,018 секунды. В дне и ночи содержится около 12 000 «щелчков пальцев», 240 000 «моментов» и 4 800 000 «мгновений». Это определение времени, превосходящее восприятие и способность, является простым, примитивным и романтическим представлением древних о «наблюдении за временем». В то же время оно вдохновило человека на рациональное мышление и научное исследование стандартов времени.

Исторически единица времени «секунда» была определена как 1/86 400 времени, необходимого для одного оборота Земли (солнечные сутки). С развитием науки и техники ученые обнаружили, что вращение Земли нестабильно, и солнечные сутки не совсем одинаковы в течение года. Поэтому в 1956 году на основе закона обращения Земли вокруг Солнца Международная система единиц «секунда» была пересмотрена до 1/31 556 925,9747 времени, необходимого для одного оборота Земли вокруг Солнца. Это определение было одобрено на 11-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 году. Однако ошибка измерения времени, вызванная нестабильностью вращения Земли, не была преодолена вращением Земли, и также возникли проблемы с трудностью воспроизведения вращения Земли для целей измерения.

Более точное наблюдение времени неотделимо от развития атомной физики и квантовой механики.

Атом является основной единицей, из которой состоит материя, и его структуру можно разделить на ядро и внеядерные электроны. Внеядерные электроны движутся вокруг ядра и следуют законам квантовой механики, распределяясь по различным электронным орбитам. Представьте себе, что внутри атома есть много разных «ступенек», и электроны могут перескакивать между этими ступенями. Такой вид скачка называется квантовым переходом энергетического уровня. Когда происходит переход, электрон перескакивает с одной ступеньки на другую, как маятник в макроскопическом мире, издавая стабильный звук «тик-так» и излучая электромагнитные волны с чрезвычайно стабильными частотами.

Различные виды атомов имеют уникальные частоты колебаний. Когда атомы подвергаются электромагнитному излучению этой частоты, электроны, вращающиеся внутри атомов, будут претерпевать квантовые переходы энергетических уровней. Атомные часы, разработанные на основе этого квантового явления, могут определять время, измеряя электромагнитные волны, испускаемые во время переходов энергетических уровней.

В конце 1940-х годов Национальное бюро стандартов США успешно разработало аммиачные молекулярные часы. В 1955 году Национальная физическая лаборатория Великобритании разработала первые в мире цезиевые атомные часы, ознаменовав тем самым официальное вступление человечества в эру атомных часов. По сравнению с традиционными методами измерения времени, основанными на астрономических явлениях, атомные часы не будут меняться из-за изменений географического положения или времени, демонстрируя лучшую согласованность и стабильность.

В 1967 году 13-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла атомное время для определения «секунды», то есть 9 192 631 770 раз больше периода перехода между двумя сверхтонкими энергетическими уровнями основного состояния изотопа цезия-133 при условии отсутствия внешних помех. До сих пор определение «секунды» поддерживается более совершенными цезиевыми атомными фонтанными часами.

Победа на современном поле боя

Точное измерение времени является краеугольным камнем для повышения эффективности модернизации вооружения и оборудования. В качестве основной поддержки атомные часы обладают чрезвычайно высокой точностью измерения времени и могут значительно улучшить координацию, точность и автономность вооружения и оборудования, играя важную стратегическую роль. В настоящее время атомные часы широко используются в оборудовании, таком как военные корабли, самолеты и ракеты, становясь незаменимым «сердцем времени» в процессе модернизации вооружения и оборудования.

- Навигация и позиционирование и точные удары. Навигационная система традиционных баллистических ракет в значительной степени зависит от инерциальной навигации и сигналов спутникового позиционирования. В условиях войны спутниковые сигналы легко подвергаются электронным помехам, потере сигнала или спуфинговым атакам и т. д., что влияет на точность и устойчивость баллистических ракет. Например, самые быстрые межконтинентальные ракеты могут лететь со скоростью 8800 метров в секунду. При помехах сигнала GPS, даже при отклонении всего в 0,3 секунды, точность удара будет отклоняться от цели примерно на 3 километра. Внедрение атомных часов обеспечивает ракеты сверхточной самосинхронизацией, что позволяет ракетам достигать точной навигации и позиционирования даже при недоступности GPS.

Спутниковая навигационная система GPS Соединенных Штатов использует комбинацию цезиевых атомных часов и рубидиевых атомных часов со стабильной производительностью и высокой точностью. Россия начала с спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС в 1980-х годах. На раннем этапе она была оснащена цезиевыми атомными часами, а теперь вступила в эру водородных атомных часов. Водородные атомные часы на ее спутниках серии ГЛОНАСС-К2 имеют стабильность 1×10⁻¹⁴ в день. Система Galileo Европейского союза в основном использует рубидиевые атомные часы и пассивные водородные атомные часы, стремясь к более высокой точности и надежности. Развитие технологии атомных часов не только способствовало модернизации спутниковых навигационных систем в разных странах, но и предоставило надежный временной ориентир для точного наведения, продемонстрировав ключевую вспомогательную роль атомных часов в современной военной области применения.

- Высокоточная синхронизация времени. Накануне крупного сражения, чтобы облегчить унифицированные действия, солдаты всегда заранее синхронизируют свои часы, чтобы скорректировать время. В современной войне атомные часы заменили церемонию синхронизации времени, основанную на механических часах, позволяя шестеренкам военной машины работать без малейшей ошибки в минутах и секундах. Особенно в передаче данных военной связи атомные часы могут обеспечить сверхточную синхронизацию времени, значительно повышая надежность и безопасность военных систем связи. Спутниковая система связи «MILSTAR» Соединенных Штатов оснащена высокоточными атомными часами, обеспечивающими надежный временной ориентир для военной связи.

Благодаря выдающимся характеристикам высокоточной синхронизации времени атомные часы расширили свое применение в военной области на множество аспектов, охватывая множество ключевых областей, таких как меры электронного противодействия, сетевая безопасность и противоракетная оборона. В области мер электронного противодействия способность атомных часов к высокоточной синхронизации времени может значительно повысить эффективность помех и борьбы с помехами; в области сетевой безопасности атомные часы могут обеспечить более надежный временной ориентир для зашифрованных сообщений; в области противоракетной обороны атомные часы могут эффективно улучшить скорость реагирования и точность системы раннего оповещения. Атомные часы постепенно становятся незаменимым основным компонентом в современных системах вооружения, обеспечивая решающую временную поддержку для различных боевых платформ.

- Ожидается, что миниатюризация и портативность атомных часов войдут в тактические приложения. Высокоточные и транспортабельные атомные часы, а также миниатюрные или даже микросхемные атомные часы могут стать надежным и стабильным источником времени, гарантируя точное хронометрирование в различных сложных условиях. С начала 21-го века, с появлением микросхемных атомных часов, точность наведения ракет значительно улучшилась. Атомные часы CPT, разработанные Национальным институтом стандартов и технологий США на основе принципа когерентного захвата популяции атомов, даже меньше рисового зерна и могут быть развернуты на нескольких платформах, таких как спутники, ракеты и военные корабли, что значительно повышает точность позиционирования оружия. В настоящее время военные атомные часы быстро развиваются в направлениях исследований более высокой точности, меньшего объема и меньшего энергопотребления.

В 2022 году недавно разработанные в США судовые оптические часы преодолели ключевые проблемы, такие как чувствительность высокоточных оптических часов к общему размеру и сложным морским условиям, и работали непрерывно в течение 20 дней на военных судах в Тихом океане. Их производительность сопоставима с производительностью лабораторных цезиевых атомных часов, что демонстрирует огромный потенциал военного применения.