Измерение времени волновало ученого с самого начала его карьеры. В 1938 году он создал самые точные для того времени кварцевые часы, которыми стали пользоваться обсерватории всего мира — астрономы, как и сегодня, были главными «заказчиками» идеальных часов. Но на этом Эссен не остановился и стал экспериментировать с атомами цезия-133, справедливо полагая, что внешнее влияние на то, что происходит внутри частиц, минимально. Безусловно, можно было использовать и другие атомы, цезий был просто самым удобным — этот мягкий щелочной металл широко распространен по всей планете.
В 1955 году в Национальном бюро стандартов США Эссен представил свое детище широкой публике. Ставка на атом оказалась верной, атомные часы стали настоящим прорывом в точности определения времени. Вклад Эссена во введение нового стандарта определения времени оценила даже Академия наук СССР, присвоив ученому золотую медаль имени А.С. Попова.
Тем не менее в 1960 году стандартом было выбрано астрономическое определение секунды как доли времени, за которое Земля делает оборот вокруг Солнца. Только семь лет спустя ее наконец заменили «атомной»: Эссен и его коллега, Уильям Марковиц, продемонстрировали, что астрономическая секунда это 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Именно это определение мы и находим сегодня во всех справочниках.
1975 г., СССР. Аппаратура, обеспечивающая энергией атомные часы во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений. Фото: Володин Александр / Фотохроника ТАСС
«Мне повезло принять участие в трансформации одной из основных мер в науке — времени. От опоры на Солнечной систему и астрономию — к опоре на атомы и физику», — говорил Эссен.
Как они работают
Атомные часы внешне совсем не похожи на те, что висят у вас на стене. Первая модель была размером с книжный шкаф.
Конструкция атомных часов на самом деле по-прежнему использует кварцевый кристалл. Только теперь его сжимания и разжимания, запускающие ход часов, контролируются колебаниями внутри атома. Эти колебания — периодические переходы между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах.
Чтобы разобраться с тем, что это за уровни и переходы, вспомним строение атома. В его центре находится положительно заряженное ядро, а вокруг него на собственных орбитах — электроны, заряженные отрицательно. При этом каждый из них находится на определенном энергетическом уровне, то есть имеет то или иное количество энергии за счет притяжения к ядру (подобно тому, как гиря на полке имеет энергию за счет притяжения к Земле).
Если же придать электрону больше энергии, например нагрев атом, то он будет стремиться перескочить на другой, более высокий уровень, с которого потом снова перейдет обратно, отдавая излишки в виде излучения. И вот это самое излучение имеет определенную частоту. И именно этим отдаленно напоминает тот самый маятник в механических часах.
Современные атомные часы работают уже не только на атомах цезия, но и на атомах рубидия, стронция, водорода. Общий принцип в них все тот же: стрелки часов управляются периодическими процессами, происходящими внутри частиц.
Нужно больше точности
Физики продолжают совершенствовать и без того точные атомные часы до сих пор.
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. В этом приборе используется уже не цезий, а стронций, причем несколько тысяч его атомов ученые выстроили в трехмерную решетку, охладили до температуры, близкой к абсолютному нулю, и измеряли колебания у всех атомов одновременно.
Кому это нужно
На самом деле, без прорыва, совершенного в середине XX века Эссеном и его коллегами, было бы невозможным бурное развитие систем спутниковой навигации вроде ГЛОНАСС или GPS, ведь 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 атомных часов — правда, теперь они работают чаще на атомах рубидия, поскольку такие приборы намного компактнее.
Ученые заливают жидкий азот в ловушку цезиевых атомных часов. Фото: National Institute of Standards and Technology
Главный же «заказчик» точных часов по-прежнему астрономы. Ведь огромные расстояния в космосе нельзя измерить линейкой. И чтобы определить, сколько нас отделяет от какой-то далекой планеты или астероида, мы можем лишь послать сигнал и зафиксировать время до его возвращения. И каждая секунда погрешности здесь — погрешность примерно в триста тысяч километров.
Впрочем, сегодня вы даже можете купить наручные атомные часы. Конечно, они будут чуть более громоздкими, чем обычные электронные, но зато вы точно ни на секунду не опоздаете.
Прогресс на этом наверняка не остановится. Для новых научных задач потребуется определять время еще точнее. К тому же человек не перестает пытаться взять под контроль время и пространство, которые сами по себе, конечно, вовсе не нуждаются ни в каких единицах измерения.
