Как человечество научилось измерять секунду – и почему без атомных часов невозможен современный мир
Навигатор в телефоне показывает поворот с точностью почти до метра. Банковский перевод проходит мгновенно. Самолёты не сталкиваются в
Как человечество научилось измерять секунду – и почему без атомных часов невозможен современный мир
Навигатор в телефоне показывает поворот с точностью почти до метра. Банковский перевод проходит мгновенно. Самолёты не сталкиваются в небе, спутники не теряются в космосе, а интернет работает как единая система, хотя состоит из миллионов серверов по всей планете. За всем этим стоит штука, о которой большинство людей никогда не задумывается, – атомные часы.
Атомные часы – один из самых точных приборов, созданных человеком. Современные атомные часы способны ошибаться меньше чем на секунду за сотни миллионов лет. Именно они сегодня определяют мировое время и само понятие секунды. Но чтобы прийти к этой точности, людям понадобились тысячи лет.
Время по Солнцу
Самые древние часы – солнечные. Их принцип прост: тень от стержня двигается вслед за Солнцем. Такие часы существовали ещё в Древнем Египте и Вавилоне, но у них есть очевидный недостаток – ночью и в пасмурную погоду они бесполезны. Потом появились водяные часы – клепсидры, которые измеряют время по скорости вытекания воды. В Китае, Греции и арабском мире создавали сложные многоуровневые конструкции с поплавками и шестерёнками. Затем придумали песочные часы, работающие по тому же принципу. Но все они были недостаточно точными и главное – буквально зависели от погоды – облаков, ветра, давления и прочего.
Революцией стали механические часы. Первые такие, маятниковые, создал в XVII веке голландский физик Христиан Гюйгенс. Ошибка подсчёта времени сократилась с десятков минут до секунд в сутки – по тем временам фантастика! Именно точное измерение времени позволило развивать астрономию, навигацию и промышленность. Но и у механических систем есть проблема: они, как и любые «природные» часы, зависят от внешнего мира. Маятник меняет длину от температуры. Шестерёнки изнашиваются. Смазка густеет. Любой, даже самый совершенный механизм постепенно начинает ошибаться.
В XX веке придумали кварцевые часы – ещё один гигантский шаг вперёд. Вместо маятника в них используют кристалл кварца: если подать на него электричество, он начинает колебаться с очень стабильной частотой – по ней и измеряют время. Такие часы оказались примерно в сто раз точнее лучших механических.
Но именно кварцевые часы неожиданно поставили учёных перед проблемой: выяснилось, что вращение Земли – неидеально. Тысячелетиями люди считали сутки абсолютной величиной, вращение Земли вокруг своей оси казалось главным эталон времени. Но точные измерения показали: продолжительность суток меняется. На вращение планеты влияют вызванные Луной приливы, движение атмосферы, океанические течения, процессы внутри земного ядра, даже крупные землетрясения. Разница – лишь тысячные доли секунды, но для науки и техники XX века этого уже было слишком много.
Особенно проблема стала заметна после развития радио, радиолокации и космической техники. Человечеству понадобился новый эталон времени, который не зависит ни от погоды, ни от вращения планеты, ни вообще от чего-либо земного. И тогда физики решили искать идеальный ритм внутри атома.
Атом как маятник
Многие думают, что «атомные часы» – это некое устройство «на атомной энергии» или даже мини-реактор. На самом деле атомные часы ничего не вырабатывают: они измеряют время по колебаниям атомов.
Как это работает? Самым естественным образом. Дело в том, что атом – не просто шарик: это сложная система, в которой электроны находятся на строго определённых энергетических уровнях. Когда атом переходит между ними, он испускает или поглощает электромагнитную волну строго определённой частоты. И эта частота всегда одинакова. Если механический маятник может ускоряться или замедляться, то атом – идеальный метроном природы. У каждого химического элемента свой «ритм». Но самым удобным учёные признали цезий, и сегодня мировой эталон секунды определяется через атом цезия-133.
В 1967 году Генеральная конференция по мерам и весам официально установила новое определение секунды. Сегодня секунда – это время, за которое происходит 9 192 631 770 колебаний излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Звучит почти магически, но именно это – основа всего мирового времени.
Как работают атомные часы
Классические атомные часы – это большая лабораторная установка: металлические камеры, вакуумные системы, генераторы, датчики, электроника. Принцип работы цезиевых часов выглядит примерно так: внутри прибора создаётся поток атомов цезия, они проходят через магнитное поле, которое «отбирает» атомы в нужном состоянии, после этого поток попадает в область микроволнового излучения. Если частота микроволн совпадает с естественной частотой атома, происходит квантовый переход – атом меняет своё состояние. Специальные датчики фиксируют это изменение. Электроника автоматически подстраивает генератор так, чтобы совпадение было идеальным – так и измеряют время. Фактически атомные часы непрерывно задают вопрос: «Совпадает ли сигнал с природной частотой атома?», и если нет, электроника тут же исправляет отклонение.
Уже первые цезиевые атомные часы были точнее лучших кварцевых примерно в тысячу раз. А современные лабораторные установки достигают точности порядка одной секунды за сотни миллионов лет.
Родители атомных часов
Идея использовать атомы как эталон времени появилась ещё в 1879 году: британский физик лорд Кельвин – Уильям Томсон – говорил, что атомы могут стать идеальным стандартом измерений, потому что все атомы одного элемента абсолютно одинаковы. Он предлагал использовать самый распространённый элемент во Вселенной – водород, но тогда это сделать было нереально – нужной техники просто не существовало. Реализовать идею удалось только после появления квантовой механики.
В 1930-х годах американский физик Исидор Раби начал разрабатывать атомные часы на основе цезия-133, но не закончил – началась Вторая мировая война. Первые экспериментальные атомные часы были созданы в США в 1949 году в Национальном бюро стандартов. Они работали на молекулах аммиака, однако их точность уступала даже кварцевым системам.
Прорыв произошёл в 1955 году, когда британский физик Льюис Эссен совместно с Джеком Перри построил первые полноценные цезиевые атомные часы в Национальной физической лаборатории Великобритании. Они оказались настолько точными, что вскоре мировая система времени начала перестраиваться именно под атомные стандарты.
Это был исторический момент. Впервые человечество перестало измерять время по движению небесных тел! Теперь уже вращение Земли сравнивали с атомными часами, а не наоборот.
Время холодной войны
После Второй мировой войны точное время стало вопросом не только науки, но и политики. Началась эпоха ракет, спутников, радиолокации и ядерного оружия, всё это требовало точной синхронизации, и любая ошибка могла стоить слишком дорого. СССР и США начали стремительно развивать системы точного времени.
В Советском Союзе эта работа шла сразу по нескольким направлениям: космическая программа, радиосвязь, оборонные системы, астрономия и навигация. Огромную роль сыграло развитие квантовой электроники, которой в СССР тогда занимался Николай Басов, один из создателей лазеров и мазеров. Он стал одним из ключевых учёных в создании первых советских атомных часов, а мазеры (это как лазер, но в радиодиапазоне) были важным этапом развития сверхточных частотных стандартов.
В результате в СССР создали собственные атомные эталоны времени и запустили государственную систему передачи сигналов точного времени по радио – для страны с одиннадцатью часовыми поясами это имело огромное значение! Точное время было необходимо не только военным, но и железным дорогам, энергетике, космической отрасли, системам связи. Главным центром этой работы стал ВНИИФТРИ – Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений. Именно там хранится государственный первичный эталон времени и частоты России, а всего там сегодня – 16 атомных часов: их сигналы сравниваются для контроля точности.
Кстати, более 40 лет учёным-хранителем первого Государственного эталона времени и частоты был Сергей Пушкин – потомок Александра Сергеевича Пушкина. Мы о нём обязательно расскажем отдельно (его история того стоит!).
Почему мир может остановиться
Мало кто задумывается, что на атомных часах сегодня буквально построена наша повседневность. Самый яркий пример – спутниковая навигация: каждый спутник GPS или ГЛОНАСС несёт на борту атомные часы, и без них система не сможет корректно работать. Потому что принцип работы навигации основан на измерении времени прохождения сигнала: спутник передаёт сигнал, в котором указано точное время отправки, телефон его принимает и сравнивает время получения. По разнице и вычисляется расстояние до спутника – а значит, ваше местоположение. Сигнал движется со скоростью света, так что даже микроскопическая ошибка становится проблемой: так, ошибка в одну микросекунду даст погрешность примерно в 300 метров. А поскольку навигатор, чтобы определить точную точку на карте, одновременно работает с несколькими спутниками, ошибки начинают накапливаться. Без атомных часов GPS бы не работал.
А самое удивительное, что система навигации вынуждена учитывать теорию относительности Эйнштейна. Спутники движутся очень быстро и находятся выше поверхности Земли, где гравитация слабее. Из-за этого время на спутниках течёт немного иначе, чем на Земле. И эти поправки GPS учитывает – иначе ошибка росла бы примерно на 10 километров в сутки. То есть, открывая Яндекс-карту в телефоне, мы используем сразу и атомную физику, и теорию относительности, представляете?!
Впрочем, навигация – лишь часть истории. Современный мир буквально пронизан системами синхронизации времени. Мобильные сети координируют работу тысяч базовых станций, интернет-серверы постоянно сверяют время между собой, банковские операции получают точные временные метки, биржи фиксируют сделки с точностью до микросекунд, в энергетике синхронизация нужна для управления электросетями, в космосе – для связи со спутниками. Даже телевидение и мобильный интернет работают благодаря сверхточным частотным стандартам. По сути, современная цивилизация держится на синхронности – и без атомных часов она буквально начала бы «рассыпаться» во времени.
Часы будущего
Сегодня физики создают новое поколение атомных часов – оптические. Если цезиевые часы работают на микроволновом диапазоне, то оптические используют колебания света, частота которого гораздо выше – а чем выше частота, тем точнее можно измерять время. Они используют не цезий, а стронций, рубидий или иттербий, и их точность уже выглядит почти невероятной: ошибка – одна секунда через 30 миллиардов лет, а это более чем вдвое превышает возраст Вселенной!
Ещё идея — ядерные часы на тории-229, которые должны работать не на основе колебаний электронов вокруг ядра, а на основе процессов внутри самого атомного ядра. Это будет ещё точнее.
Но рекорды точности – не самоцель: сверхточные часы становятся инструментом науки. С их помощью исследуют гравитацию, фундаментальные физические константы, строение Земли, эффекты общей теории относительности. В 1971 году американские учёные Джозеф Хафеле и Ричард Китинг провели эксперимент: облетели Землю с атомными часами на борту, ещё одни стояли в Военно-морской обсерватории США, по возвращению сравнили показания – и время действительно отличалось! Эксперимент доказал, что в зависимости от высоты над уровнем моря, то есть от силы гравитации время может ускоряться или замедляться. И сегодня учёные уже говорят о «релятивистской геодезии» – измерении высоты по скорости течения времени, потому что чем сильнее гравитация, тем медленнее идут часы. Разница настолько мала, что человек её не замечает, но современные приборы способны фиксировать изменения высоты – на сантиметры!
Фактически атомные часы постепенно превращаются в инструмент исследования пространства-времени. Мы их почти не замечаем, но именно они позволяют спутникам находить нас на карте, самолётам – не сталкиваться в небе, интернету – работать как единая сеть, а миллиардам устройств – жить в одном времени. Современная цивилизация существует потому, что где-то в лабораториях и спутниках атомы цезия продолжают отсчитывать секунды с почти невозможной точностью.
Алиса Мучник, по данным открытых источников
Отзывы
Мы в Телеграм