Текст уведомления здесь

Куда еще точнее

Зачем Льюису Эссену потребовалось создавать атомные часы

6 сентября мир отмечает 110 лет со дня рождения физика Льюиса Эссена и вспоминает его прежде всего как создателя атомных часов. «Чердак» рассказывает, зачем эти часы понадобились и где и кем используются.
Добавить в закладки
Комментарии

В наше время не так-то просто отвечать на детские вопросы. Вот, к примеру, что такое секунда? Попробуйте рассказать ребенку про 60-ю часть минуты, потом про часы, сутки, обороты Земли вокруг своей оси. А он откроет Википедию и прочитает, что «секунда — время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». И посмотрит на вас с недоверием.

Что ж, придется начинать все сначала: что это за цезий и что и почему он излучает. А виноват во всем один британский физик по имени Льюис Эссен.

В поисках колебаний

Представьте, что все часы в мире остановились, а вам надо договориться с приятелем о встрече. Придется выкручиваться, как в старину, полагаясь на Солнце. «Встречаемся на закате». Плюс-минус час — нестрашно. А можно соорудить солнечные часы — тогда можно назначить время посреди дня. Если, конечно, день выдастся ясным.

Чтобы измерить время, на протяжении всей истории люди искали периодические явления вроде вращения Земли вокруг Солнца. В основе механических часов лежат колебания маятника. На первый взгляд, эти колебания постоянны и зависят только от формы маятника, но это не так. Температура, сопротивление воздуха и другие внешние факторы незаметно сбивают маятник.

В кварцевых часах используется другая закономерность — периодические сжимания и разжимания кристалла под воздействием электричества. Проблема в том, что со временем кристалл теряет свои свойства и точность измерения падает.

В конце XIX века физики обнаружили, что материя состоит из атомов. В этом микромире тоже бывают периодические колебания, причем извне на них почти ничего не влияет. Но чтобы приспособить их для измерения времени, понадобилось более полувека.

Пульс частицы

В 1955 году в Национальном бюро стандартов США была представлена первая модель точнейших атомных часов. Ее главным создателем стал физик из Национальной физической лаборатории Великобритании Льюис Эссен.

Эссен (справа) с коллегой Джеком Пэрри рядом с первой моделью атомных часов. Фото: National Physical Laboratory

Эссен (справа) с коллегой Джеком Пэрри рядом с первой моделью атомных часов. Фото: National Physical Laboratory

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
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.

Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk

Схема: Анатолий Лапушко / Chrdk

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
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.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Пять уверенных прогнозов

Технологии беспилотного транспорта в скором будущем изменят быт и бизнес

В России объявлен старт технологических конкурсов Up Great — русского аналога Darpa Grand Challenge, в рамках которого инженерные команды посоревнуются в создании беспилотного автомобиля для русской зимы. По прогнозу РВК и Frost & Sullivan, к 2025 году беспилотники займут 40% мирового рынка легковых машин.
Добавить в закладки
Комментарии

Взрывной рост технологий автономного транспорта приведет к созданию новых продуктов и сегментов бизнеса. Они обещают изменить жизнь людей так же, как в начале ХХ века ее изменило появление автомобиля. Организаторы Up Great выбрали пять «вещей из будущего», которые появятся в результате преодоления технологического барьера, и поделились ими с «Чердаком».

В салоне беспилотного автомобиля на трассе. Автор: Metamorworks / Shutterstock

В салоне беспилотного автомобиля на трассе. Автор: Metamorworks / Shutterstock

Автономный общественный транспорт без водителя

Автоматизация вождения приведет к созданию инновационных продуктов и решений в различных сферах. Одна из них — автономные такси. Благодаря совершенствованию беспилотных технологий они могут набрать популярность уже в ближайшие годы. [ ... ]

Читать полностью

Стреляли в спину

Как на установке AWAKE добились рекордного темпа ускорения электронов

Международной коллаборации физиков, среди которых есть и представители российских научных институтов, удалось получить на выходе из десятиметрового устройства электроны с энергией 2 гигаэлектронвольта, ранее доступной лишь на установках в разы большего размера. «Чердак», поговорив с физиками, рассказывает, в чем большой секрет маленькой установки.
Добавить в закладки
Комментарии

Группа специалистов из ЦЕРН, среди которых есть сотрудники Института ядерной физики Сибирского отделения РАН, продемонстрировала возможность разгона электронного пучка при помощи кильватерного ускорения. По словам Константина Лотова, профессора Новосибирского государственного университета и главного научного сотрудника ИЯФ СО РАН, «это название появилось из-за аналогии со следом на поверхности воды, который остается за кормой идущего судна. Пучок-драйвер, проходя через плазму, создает в ней волну и таким образом разгоняет электроны, летящие следом. Раньше в качестве драйвера использовались пучки электронов или мощные лазерные импульсы. Мы же нашли способ использовать протонный пучок, в котором в тысячи раз больше энергии, чем в самых лучших электронных и лазерных драйверах. За протонным драйвером электроны летят в одной длинной плазменной секции, и это довольно простая конструкция. Другие же драйверы надо периодически заменять на „свежие“, делать много небольших секций — это гораздо сложнее, поэтому наш вариант ближе к практическому воплощению».

Установка AWAKE в сборе. Частицы перемещаются по металлической трубе, видимой слева; плазменная ячейка, заполненная парами рубидия при температуре 200 градусов Цельсия, расположена на желтых опорах. Черная плита (слева) — оптический стол; установка оснащена вынесенным в отдельную комнату мощным импульсным лазером для ионизации плазмы. Фото: Brice, Maximilien / CERN
Установка AWAKE в сборе. Частицы перемещаются по металлической трубе, видимой слева; плазменная ячейка, заполненная парами рубидия при температуре 200 градусов Цельсия, расположена на желтых опорах. Черная плита (слева) — оптический стол; установка оснащена вынесенным в отдельную комнату мощным импульсным лазером для ионизации плазмы. Фото: Brice, Maximilien / CERN

Лотов является теоретическим координатором проекта AWAKE, Advanced proton-driven plasma WaKefield Acceleration Experiment. Работающие в нем ученые рассчитывают найти новые методы ускорения электронов и добиться еще больших результатов. Если сейчас каждый метр ускорителя добавляет к энергии частиц 200 МэВ, то теоретически кильватерное ускорение позволит набирать до тысячи МэВ на метр, или 1 ГэВ/м.

МэВ, он же мегаэлектронвольт, является мерой энергии частиц и кратной единицей от электронвольта. Электрон приобретает энергию в 1 эВ при перемещении между точками с разницей электрического потенциала в 1 вольт, и это довольно скромная величина. Кванты видимого света имеют энергию чуть выше, тысячи эВ соответствуют рентгеновским лучам, а МэВ уже характеризуют продукты ядерных реакций. Энергии следующих диапазонов, ГэВ и ТэВ («тера-», 1000 ГэВ) относятся к «большой» физике с бозоном Хиггса, экзотическими кварками и материей в недрах нейтронных звезд — это сфера уже не прикладных технологий, а фундаментальных исследований. [ ... ]

Читать полностью

Изобретай за призовые

Как проходят технологические конкурсы и зачем они нужны

Многие изобретения и технологии появлялись на свет не просто потому, что какому-то инженеру пришла в голову замечательная идея. Зачастую, для того чтобы пробудить интерес ученых и изобретателей к решению какой-то проблемы, им необходимо что-то посулить взамен. Так много лет назад появились технологические конкурсы. Какими они были и бывают до сих пор, кто в них участвует и что получается на выходе — в обзоре организаторов одного из таких конкурсов, Up Great.
Добавить в закладки
Комментарии

От парусной навигации до космических кораблей

Одним из первых технологических соревнований стал «Конкурс Долготы», объявленный Британской академией наук в начале XVIII века. Его суть заключалась в необходимости решить проблему точного определения долготы во время длительных морских путешествий.

Победителем стал часовщик Джон Гаррисон: он предложил использовать в навигации хитрое устройство собственной сборки. Сегодня это известный всему миру хронометр. За прошедшие века конструкция прибора Гаррисона практически не изменилась — совершенствовались лишь технологии изготовления и материалы. Сам английский часовщик, неожиданно совершивший технический прорыв, получил не только славу, но и неплохие для своего времени премиальные.

Еще один пример инженерных состязаний — «Приз Ортега» с призовым фондом 25 тысяч долларов. Его целью было совершение первого в истории беспосадочного перелета через Атлантику. Конкурс выиграл молодой Чарльз Линдберг. В 1927 году на сконструированном винтовом самолете «Дух Сент-Луиса» он совершил первый трансатлантический перелет из Нью-Йорка в Париж. Тем самым заработал денег и дал новый толчок развитию самолетостроения в США. [ ... ]

Читать полностью