Можем ли мы точно сказать, что такое время? Люди научились измерять его еще в древности: сначала по солнцу, затем с помощью воды, а с развитием науки человечество пришло к механическим, кварцевым и, наконец, электронным часам. Если проследить историю развития часовых устройств, то можно заметить, что с каждым новым изобретением неточность измерений становилась все меньше. Но даже современные электронные часы имеют погрешность приблизительно 20 секунд в месяц. Для высокоточных исследований требуется максимально точное значение времени, поэтому во второй половине XX века появились атомные часы.
Как изобрели атомные часы?
В 1955 году в Национальной физической лаборатории Великобритании физик-экспериментатор Льюис Эссен представит первые сверхточные атомные часы, а уже через год в Нью-Йорке начнут продавать первые такие часы — Atomichron. Их погрешность составляет всего 1 секунду за 300 млн лет, сообщает сетевое издание «Новая наука». Представляешь? Будешь жить ты, потом твои дети, внуки, правнуки и еще очень много пра-, а часы все еще будут идеально точны.
Однако открытию предшествовали почти 100 лет исследований. Так, в 1879 году физик Уильям Томсон выдвинул идею использования колебаний атомов самого простого и распространенного атома во Вселенной — водорода — для определения времени, но не получилось из-за отсутствия нужной техники. Чуть позже, в 1930-х годах, американский физик Исидор Раби приступил к разработке атомных часов на основе цезия-133, но не закончил — началась Вторая мировая война.
Еще одна попытка была в 1949 году, когда в Национальном бюро стандартов США создали первые атомные часы, работающие на молекулах аммиака. Точность их вычислений оказалась все еще не максимальна из-за многих причин.
И вот в 1955 году после экспериментов с аммиаком ученые вернулись к атому цезия, получив те самые атомные часы. Они были размером со шкаф и вовсе не напоминали обыкновенные. Главный разработчик Льюис Эссен использовал в конструкции кварц (еще в 1938 году он создал кварцевые часы, которые тогда были самыми точными). Однако теперь колебания кристалла определялись уже не механическими процессами, а колебаниями, происходящими внутри атома цезия-133.
Что такое атом и как он связан с часами?
Атом — мельчайшая частица. Он состоит из положительно заряженного ядра, в которое входят протоны и нейтроны, и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг ядра. В атомных часах используются свободные атомы, то есть те, которые не образовывают с другими химических связей, «одиночки» в мире атомов. Они подвергаются воздействию электромагнитных волн, из-за чего переходят с одного энергетического уровня на другой.
Объясняем для самых маленьких.
Представь, что ты стоишь на лестнице и тебе нужно перепрыгнуть с одной ступеньки на другую. То же самое и у электронов: внутри атомов есть свои «ступеньки», или, по-научному, энергетические уровни, по которым они могут перемещаться. Нижние ступеньки — комфортные, стабильные, а верхние — возбужденные.
Электроны переходят на ступеньки благодаря колебаниям (качаниям) атомов, чем больше энергии направлено на атом, тем сильнее он колеблется. Частота таких колебаний, то есть количество раскачиваний в секунду, является чрезвычайно стабильной и точной, именно поэтому для измерения времени используют эту величину.
«Точность атомных часов объясняется тем, что частота колебаний атомов цезия легко измеряется», — рассказывает доцент-исследователь в области радиохимии в Университете штата Пенсильвания Артем Матыскин.
Цезий — это химический элемент, серебристо-золотистый металл. Он настолько мягкий, что его можно резать ножом, и у него такая низкая температура плавления, что он расплавится у вас в руке (если бы его можно было безопасно держать). Он имеет около 40 изотопов (разновидности одного и того же химического элемента), от цезия-112 до цезия-151, но только цезий-133 является стабильным и не подвергается распаду. Стабильность изотопа напрямую связана с точностью часов, так как хаотичность колебаний вызывает ошибки в измерении времени.
«Источник излучения (устройство, создающее электромагнитные волны) создает волну на определенной частоте, при этом возбуждаются атомы цезия и тоже излучают энергию при переходе с одного энергетического уровня на другой. Эта энергия измеряется, и секунду определяют как интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения при переходе электрона с одного уровня на другой», — объясняет Артем Матыскин.
Используем фантазию
Ученые берут атомы цезия. Каждый такой атом — это точная, не меняющаяся «деталь». У электронов внутри этих атомов есть два особых энергетических уровня — «ступеньки» .Чтобы перескочить с одной на другую, электрону нужна помощь — волна энергии. Но не любая волна подойдет, а только строго определенной частоты. Часы начинают посылать на атомы волны. Когда их частота точно совпадает с той, которая нужна электронам для прыжка, они начинают перескакивать с одной ступеньки на другую. Электронные приборы внутри часов считают количество таких прыжков. Например, когда электроны внутри атома цезия прыгнут 9 192 631 770 раз, часы отсчитают ровно одну секунду.
Три глупых вопроса ученому
Отвечает доцент-исследователь в области радиохимии в Университете штата Пенсильвания Артем Матыскин.
- Могу ли я пользоваться атомными часами дома?
— Я думаю, что теоретически можно пользоваться атомными часами дома, но необходимо поддерживать определенные условия — например, температуру и влажность.
- Сколько бы стоили такие часы, если бы их продавали в супермаркете?
— Точные атомные часы, которые используются для стандартизации, стоят несколько миллионов долларов.
- Что лучше, атомные часы или Apple Watch?
— Если для личного пользования, то, конечно, Apple Watch, так как их на руке можно носить, на них уведомления приходят, имейлы. Но для самого точного времени — атомные часы.
Где используют атомные часы?
Атомные часы используются в решении многих задач фундаментальной физики. С помощью них, например, был подтвержден эффект замедления времени Эйнштейна. Согласно теории относительности, гравитация влияет на течение времени, то есть чем больше гравитация, тем медленнее идет время.
Гравитация — невидимая сила, которая притягивает все предметы друг к другу, благодаря ей здания, наши вещи и мы сами стоим на земле, а не парим в воздухе.
В 1971 году двое ученых, Джозев Хафеле и Ричард Китинг, облетели Землю с атомными часами на борту. Еще одни стояли в Военно-морской обсерватории США. Прилетев обратно в Америку, ученые сравнили показания часов, находившихся в небе, и тех, что стояли неподвижно в помещении. И время действительно отличалось. Знаменитый эксперимент Хафеле — Китинга доказал, что в зависимости от высоты над уровнем моря, то есть от силы гравитации (чем ближе к Земле, тем она сильнее), время может ускоряться или замедляться.
Атомные часы также помогают в исследовании темной материи. Это форма материи, которую невозможно увидеть, так как она не излучает, не поглощает и не отражает свет, то есть не участвует в электромагнитном излучении. Она может влиять на видимую материю — звезды, галактики — замедлять их скорость и движение с помощью гравитации. Атомные часы позволяют определять любые неточности времени и выявлять воздействие темной материи. Как они это делают? Ученые берут несколько сверхточных атомных часов и ставят их на большом расстоянии друг от друга. Темная материя напоминает волну, и если она проходит через нашу планету, то на мгновение изменяет колебания атомов в часах. Из-за этого все часы начинают идти по-разному, но лишь на мгновение. Ученые отслеживают эти изменения и фиксируют воздействие темной материи.
Как бы мы жили без атомных часов?
Начнем с того, что любое время на наших устройствах определено по атомным часам, так как стандарт секунды в системе единиц измеряется как раз по переходу атомов с одного энергетического уровня на другой, даже всемирное время (UTC) определяется по ним. То есть ты, твой друг из другого города и даже из другой страны ориентируетесь по атомным часам.
Благодаря атомным часам мы можем пользоваться навигатором. Как это работает? Любой GPS-спутник в космосе оснащен атомными часами. Когда ты пользуешься системой навигации, то спутники передают точное время по атомным часам и положение в пространстве наземным станциям, а они посылают их на твое устройство. Для расчета местоположения необходимо минимум четыре спутника, которые рассчитывают точное время и расстояние друг от друга, чтобы максимально приближенно передать, где находишься именно ты. Без атомных часов показания времени были бы неточными, следовательно, было бы неточным и местоположение.
Что будет после атомных часов?
Атомные часы — прорыв для многих сфер нашей жизни. Люди всегда стремились к точному определению времени, и благодаря атому это стало доступно. Ученые продолжают совершенствовать технологии измерения времени, создавая оптические и ядерные часы, чья точность превышает существующие стандарты в десятки раз.
Оптические часы — это новое поколение атомных часов. Они используют атомы не цезия, а например, стронция или иттербия. Такие часы намного точнее. Если атомные часы теряют 1 секунду за 300 млн лет (вдумайся в это число, это же невероятно!), то оптические теряют 1 секунду за десятки миллиардов лет!
Ядерные часы — еще более усовершенствованные атомные часы, они работают не на основе колебаний электронов вокруг ядра, а на основе процессов внутри самого атомного ядра.
Возможно, в будущем человечество сможет измерять даже не секунды, а еще более мелкие доли времени. Развитие атомных часов — это не просто технический прогресс, это символ непрерывного стремления человека понять и упорядочить Вселенную. Нам остается наблюдать, восхищаться — и, кто знает, может быть, стать частью этой истории.
Атомные технологии не только измеряют время — они определяют ритм жизни современных городов. Программа «Люди и города» помогает применять научные достижения в повседневности, создавая среду, где высокие технологии работают на качество жизни и развитие человека.