Все новости

Насколько точно можно измерить время атомными часами

Первые атомные часы
© SSPL/Getty Images
6 сентября 1908 года родился британский физик Льюис Эссен. Он был ведущим разработчиком первых атомных часов — устройства, которое стало прорывом в деле измерения времени

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.

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.

Джек Пэрри и Льюис Эссен с первыми атомными часами, 1955 год National Physical Laboratory/Public domain via Wikimedia Commons
Описание
Джек Пэрри и Льюис Эссен с первыми атомными часами, 1955 год
© National Physical Laboratory/Public domain via Wikimedia Commons

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"