Если вы потеряли часы или не услышали будильник и не пришли куда-то вовремя — вы опоздали. А что, если ни у кого в мире нет часов? Получается, никто никуда не опоздает? Возможно. Но и скоординировать совместную деятельность всех людей на планете будет невозможно, такая вот побочка.
Самая точная секунда: как работают атомные часы и почему они безопасны
Атомные часы — эталон точности и гарантия того, что мир не погрузится в каменный век хотя бы ближайшие несколько секунд, ибо координация мирового времени зависит именно от них. Как это у них получается отмерять время так точно и опасны ли они для человека — разберемся в этом материале.
Национальный институт стандартов и технологий США (NIST)
Начнем издалека: зачем люди измеряют время?
Измерение времени пронизывает все аспекты жизни — от крупнейших процессов до бытовых мелочей:
- Синхронизированная деятельность: транспорт, связь и навигация, производства, аграрный сектор и любые другие общественно-экономические процессы.
- Фиксация исторических событий: отмечать на временной прямой эпохальные события и даты — это крайне важно.
- Научно-технический прогресс: все научные наблюдения и эксперименты, финансовые процессы, слаженная работа навигационных систем, Интернета и даже атомных станций — все это привязано к точному времени.
- Организация жизни: планирование работы, отдыха и соблюдение режима (привет циркадным ритмам и джетлагу) необходимо человеку для комфортной и эффективной деятельности.
Как началось измерение времени
Однажды, давным-давно, люди стали замечать, что все вокруг как-то меняется с какой-то периодичностью — свет сменяется тьмой, тепло сменяют холода, животные мигрируют, а потом снова возвращаются. Это и натолкнуло древних людей на мысль о том, что время естественным образом разделяется на какие-то секторы. Эта догадка наложилась на местные обычаи каждого региона, и их жители признали то, что сегодня мы называем временами года.
Следующая проблема — измерение суток. Здесь на помощь пришли солнечные часы. По мере того, как Солнце движется по небу, тени меняют направление и длину, поэтому стало возможным измерять продолжительность дня. Вскоре люди заметили, что продолжительность дня меняется в зависимости от времени года.
Чугунные солнечные часы. Очер, Россия
Причина этой разницы и существенный недостаток солнечных часов выяснились гораздо позже.
- Длина светового дня меняется в течение года из-за того, что Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите, а ее ось наклонена примерно на 26 градусов. Это отклонение от круговой орбиты приводит к уравнению времени, которое позволяет нам вычислить разницу между «часовым» временем и «солнечным временем».
- Главный недостаток солнечных часов в том, что они должны были быть сделаны специально для разных широт. Дело в том, что высота Солнца на небе уменьшается на более высоких широтах, создавая более длинные тени, чем на более низких широтах.
А дальше научно-технический прогресс было не остановить — люди начали изобретать самые разные хронометры: масляные лампы, свечи с засечками, водные и песочные часы, и даже будильники!
Что такое атомные часы и как они работают?
Для начала давайте поймем, как вообще устроены часы. По сути, они представляют собой союз двух компонентов: механизма, который колеблется или тикает с постоянным ритмом, и устройства, которое считает эти ритмы и отображает время. На протяжении большей части истории колебательными механизмами были предметы, созданные человеком: качающийся маятник напольных часов, кварцевый кристалл в ваших наручных часах или, например, в ноутбуке.
Однако есть проблема — не существует двух совершенно одинаковых маятников или кристаллов, а, значит, такие часы никогда не смогут быть идеально синхронизированы. И здесь в дело вступают атомы. Атомы не имеют никаких изготовленных деталей, они не изнашиваются и не замедляются со временем. И, что гораздо важнее, все атомы одного типа идентичны. Квантовая физика говорит нам, что атомы поглощают и испускают световые волны определенных частот.
Атомные частоты дают самые чистые и стабильные ритмы во Вселенной.
Световые волны, настроенные на эти атомные частоты, производят ритмы времени, которые в миллиарды раз более стабильны и точны, чем у любых других часов. Так как мы можем это использовать?
Когда атомы связаны миллиардами твердых объектов, таких как наши тела, они ведут себя совсем не так, как если бы они гуляли сами по себе. Чтобы сделать часы, сначала надо отделить и изолировать отдельные атомы от всего вокруг. Затем погрузить наши атомы в свет, потому что он — природный способ передачи энергии из одного места в другое. Он распространяется в форме волн, которые поднимаются и опускаются по мере продвижения в пространстве, подобно чередующимся гребням и впадинам морских волн, бегущих по океану.
Частота световой волны — это количество циклов от гребня до впадины и снова до гребня за одну секунду.
Чтобы превратить атомы в часы, нам не подойдет любой свет: нам нужен тот, который был точно настроен на особую частоту — резонансную частоту атомов. Когда частота света близка к резонансу, атомы могут поглощать часть энергии света и изменять свое внутреннее энергетическое состояние. Это «квантовый скачок».
По мере того, как мы настраиваем частоту света на резонансную частоту атомов, все больше и больше атомов будут поглощать энергию света и совершать квантовый скачок. Измерив, сколько атомов поглотили энергию, мы можем определить, когда частота света достигла резонансной частоты (ну или, по крайней мере, приблизилась к ней). Затем мы подсчитываем пики и спады резонансного света и преобразуем эти подсчеты в «тики» времени.
Сколько циклов пиков и спадов нам нужно отсчитать, чтобы отмерить одну секунду? Это зависит от типа используемого нами атома, поскольку у каждого из них своя собственная резонансная частота. Для одного атома цезия-133, который чаще всего используется в часах, это будет 9 192 631 770 циклов.
Одна эталонная секунда — это 9 192 631 770 периодов излучения излучения атомов цезия.
Фактически, в 1967 году мировые хронометристы определили официальную международную секунду как время, которое требуется именно этому количеству циклов света, настроенного на резонансную частоту цезия, чтобы пройти через детектор.
Оптические атомные часы ФИАН
Несмотря на то, что слово «атомный» — это про что-то страшное, атомные часы не подразумевают никакого полураспада и поэтому они не радиоактивны. А, значит, безопасны для человека.
Если бы атомные часы работали с момента Большого взрыва, т.е. около 13,8 миллиардов лет, их погрешность составляла бы меньше секунды.
Секунда действительно может изменить все. И это не просто пафосная цитата из далекого 2012-го, а самый настоящий научный факт!