Сказка о потерянном времени

Наверняка часы на Вашем компьютере синхронизируются с сервером времени, а тот, вероятнее всего, ориентируется по знаменитым атомным цезиевым часам NIST-F1 — тем самым, что помогли дать определение секунде и на сегодняшний день являются эталоном времени в США. Но с появлением новых технических возможностей меняются и стандарты измерения времени: американцы анонсировали создание еще более совершенных атомных часов, которые по точности превосходят традиционные в десятки раз.

 
Практически все древние цивилизации, существовавшие на Земле, имели собственные представления о времени и единицах его измерения. Впрочем,в основном оно сводилось к тому, чтобы разделять годичный цикл на лунные месяцы, а сутки — на те или иные отрезки, связанные с положением Солнца на небосводе. Секунды в этом качестве появились лишь как математическая абстракция, а формально это понятие было определено наукой лишь в XIX веке. Да, собственно, и тогда секунда получила довольно размытую формулировку, по-прежнему связанную с вращением Земли вокруг Солнца.
 
Полноправно претендовать на звание стандартной единицы времени секунда стала лишь тогда, когда человечество сумело создать устройства для измерения сверхмалых отрезков времени. Изобретении атомных часов, которым, чтобы накопить ошибку всего лишь в секунду, необходимо проработать сотни миллионов лет. Только с появлением этих сверхточных инструментов в середине XX в. секунда окончательно оторвалась от часов и дней, и стала самостоятельной и центральной единицей времени.
 
Отсчет времени в атомных часах происходит за счет перехода атомов с более высокого энергетического уровня на более низкий. Каждый такой скачок сопровождается выбросом энергии в виде фотона, частота колебаний которого будет соответствовать разнице между энергетическими уровнями. Этот показатель для каждого изотопа — свой и неизменный. Можно сказать, что такие «энергетические вибрации» играют ту же роль в атомных часах, что и маятник в механических, лишь действуют точнее.
 
По ряду причин в них применяются осцилляции цезия-133, и одной эталонной секунде соответствует 9 192 631 770 его колебаний. Казалось бы, теперь человечество имеет надежное определение единицы времени, но это далеко не так. Механизм атомных часов все же несовершенен: на практике при измерении частоты излучения довольно сложно избежать погрешностей. В первую очередь необходимо учитывать эффект Доплера, при котором любое движение атома вызывает смещение измеренной частоты. Ситуацию усугубляет и эффект Штарка, характеризующийся изменением разницы между энергиями различных состояний атома под воздействием внешнего электрического поля.
 
С первой проблемой буквально пару месяцев назад разобрались сотрудники Парижской обсерватории, применив оптическую решетку на основе лазера: созданная при помощи взаимно перпендикулярных лазерных лучей, образующих стоячие волны, она позволила зафиксировать атомы в пространстве, охлаждая их, и уменьшить воздействие эффекта Доплера. Если прежде облака атомов цезия-133 «накачивали» энергией, воздействуя на них ультракороткими волнами, то французские ученые решили раскачивать «атомный маятник» оптическим лазером, который способен генерировать колебания с куда большей частотой.
 
Стронциевые часы теряют всего одну секунду в 300 миллионов лет, втрое превосходя по точности «обычные», работающие на основе цезия-133. Если бы такие часы были запущены в момент Большого взрыва — примерно 13,7 миллиардов лет назад, — то в настоящее время их погрешность составила бы всего 45,67 с. Впрочем, разработчики принимали во внимание не только точность. «Возьмите свои наручные часы. Сегодня они на одну секунду отстают, а завтра на ту же секунду забегают вперед — они нестабильны», — объясняет Жером Лодвик. И если в быту на эти нюансы можно спокойно закрыть глаза, то в поисках эталонных часов важно быть уверенным не только в точности, но и в стабильности их хода. Чтобы убедиться в этом, авторы сверили ход двух стронциевых часов, показав, что работают они совершенно синхронно, сохраняя стабильность хода в течение долгого периода времени.
 
Впрочем, не успели французские «хранители времени» в полной мере насладиться всеобщим восхищением в адрес их новинки. И, надо отметить, он оказался еще более впечатляющим: американские научные сотрудники представили пару часовых механизмов, которые можно смело назвать рекордсменами по точности. «Близнецы» работают с неточностью лишь 1 часть на 1018. И если, опять-таки, взять за точку отсчета Большой взрыв, то эти часы, работая с того далекого момента и по сей день, отстали бы всего на одну секунду!