Насколько точно можно измерить время атомными часами
Первые атомные часы
В наше время не так-то просто отвечать на детские вопросы. Вот что такое секунда? Попробуйте рассказать ребенку про одну шестидесятую часть минуты, потом про часы, сутки, обороты Земли вокруг своей оси. А он прочитает в Википедии, что секунда — время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. И посмотрит с недоверием: какой такой цезий, что куда переходит, при чем тут вообще время.
Представьте, что все часы в мире остановились, а вам надо договориться с приятелем о встрече. Придется выкручиваться, как в старину, полагаясь на Солнце. "Встречаемся на закате". Плюс-минус час, нестрашно. А можно соорудить солнечные часы — тогда можно назначить время посреди дня. Если, конечно, день выдастся ясным.
Читайте также
Последняя ночь июня будет на секунду длиннее
Чтобы измерить время, на протяжении всей истории люди искали периодические явления вроде вращения Земли вокруг Солнца. В основе механических часов лежат колебания маятника. На первый взгляд, эти колебания постоянны и зависят только от формы маятника, но это не так. Температура, сопротивление воздуха и другие внешние факторы незаметно сбивают маятник.
В кварцевых часах используется другая закономерность — периодические сжимания и разжимания кристалла под воздействием электричества. Проблема в том, что со временем кристалл теряет свои свойства, и точность измерения падает.
В конце XIX века физики обнаружили, что материя состоит из атомов. В этом микромире тоже бывают периодические колебания, причем извне на них почти ничего не влияет. Но чтобы приспособить их для измерения времени, понадобилось более полувека.
Первые атомные часы были представлены в Национальном бюро стандартов США в 1955 году. Они были размером со шкаф и совсем не походили на те, что вешают на стены или носят на запястье. Ведущий разработчик Льюис Эссен из Национальной физической лаборатории Великобритании применил в их конструкции кварц (в 1938 году он сконструировал кварцевые часы, самые точные на тот момент). Только теперь сжимания и разжимания кристалла зависели от колебаний внутри атома цезия-133.
Чтобы лучше понять принцип действия, вспомним, как устроен атом. В центре находится положительно заряженное ядро, а вокруг него — отрицательно заряженные электроны. Электроны располагаются неравномерно, на разных уровнях. Если придать им больше энергии, например, нагрев вещество, то электроны перескакивают на более высокий уровень. Потом они возвращаются обратно, а излишек энергии рассеивается в виде электромагнитного излучения. У этого излучения есть определенная частота, как у маятника, только почти ничто не может ее исказить. Это-то и придает атомным часам точность.
Изобретение Льюиса Эссена и его коллег стало настоящим прорывом, но тем не менее в 1960 году стандартом было выбрано астрономическое определение секунды как доли времени, за которое Земля делает оборот вокруг Солнца. Только в 1967 году на Генеральной конференции мер и весов одну секунду определили через периоды излучения атомов цезия-133, как настаивали Эссен и его напарник Уильям Марковиц из Военно-морской обсерватории США.
Физики до сих пор совершенствуют атомные часы. Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) регулярно отчитывается о разработке все новых и новых моделей. Их лучшее на сегодняшний день достижение — часы, отстающие на одну секунду за несколько сотен миллиардов лет. Это в разы больше, чем возраст Вселенной. В этом приборе используется уже не цезий, а стронций (есть и аппараты на рубидии или водороде).
Стремление к еще большей точности не блажь. Без атомных часов было бы невозможным развитие систем спутниковой навигации вроде ГЛОНАСС или GPS: расстояние они определяют именно по времени, за которое сигнал проходит от точки на Земле до спутника и обратно. На современных навигационных спутниках установлено по несколько рубидиевых, более компактных атомных часов.
Главные же "заказчики" точных часов по-прежнему астрономы. Огромные расстояния в космосе нельзя измерить линейкой. Чтобы определить, далеко ли планета или астероид, мы можем лишь послать сигнал и засечь время до его возвращения. Погрешность в одну секунду приведет к ошибке на 300 тыс. км. Для новых научных задач потребуется определять время еще точнее — прогресс на этом наверняка не остановится.
Евгения Береснева, научно-популярный сайт "Чердак"