Атомные часы: точнее, чем само время

Пока физики и философы стараются постичь природу четвертого измерения, само время не стоит на месте, перемещая секунду за секундой в прошлое. За то, чтобы все процессы строго соответствовали своим временным интервалам, отвечают атомные часы.

История атомных часов начинается в 1955 году, когда физик Луис Эссен построил первый прототип подобного устройства, взяв за основу работы своего коллеги Исидора Раби. Ритм часов измерялся колебаниями электронов в атоме цезия между двумя энергетическими уровнями. Точность прибора составляла 1 к 10 в десятой степени, т. е. часы отставали на одну секунду каждые 300 лет.

С 1955 года было принято стандартное измерение времени в астрономических секундах, продолжительность каждой из которых равно периоду, вмещающему 9192631770 переходов электронов между двумя энергетическими уровнями в атоме цезия-133. Такая формулировка была утверждена Международной палатой мер и весов в 1967 году.

Следующий существенный прорыв в создании атомных часов произошел в 1989 году, когда ученые из Стэнфордского университета изобрели "атомный фонтан". Стремясь свести к минимуму все возможные факторы внешнего влияния, физики создали шар из миллионов атомов цезия, охлажденный до температуры бесконечно близкой к абсолютному нолю (-273 градуса по шкале Цельсия). Шар, помещенный в пересечение лазерных лучей, испускает электроны, траектория и частота которых не зависят от влияния внешней среды.

Именно часы, построенные на "атомном фонтане", установлены ныне в Парижской обсерватории, а их близнец отмеряет точное время для Северной Америки в университете Болдера штата Колорадо. Погрешность "атомного фонтана" составляет одну секунду на 80 миллионов лет.

Однако во всех конструкциях атомных часов существовал изъян, который усложнял их использование. Дело в том, что для определения каждой секунды надо отсчитать точное количество колебаний электронов. Современные детекторы могут справиться с такой задачей, но риск возникновения погрешности слишком велик.

Необходимо было создать систему, колебания в которой можно было зафиксировать более точно.

В 2001 году инженер американского Института стандартов и технологий Скотт Дайддамс совершил новое открытие в сфере точного измерения времени. Поместив одиночный ион меркурия в электромагнитное поле, и оградив полученную систему от влияния извне, он получил новый вид прибора измерения времени с высокой точностью — 1 секунда погрешности на 4,5 миллиона лет.

Повторив опыт Дайддамса, но уже с ионом стронция, его коллеги из английской Службы времени создали более совершенную модель атомных часов с погрешностью в 1 секунду на 9 миллионов лет. Аналогичные опыты с другими атомами тяжелых металлов провели Палаты мер и весов многих европейских стран.

Последнее слово осталось за американцами. В марте 2008 года Институт стандартов и технологий США представил самые точные на настоящий момент часы. Их точность измерения базируется на сравнении частот излучения иона меркурия с частотами атомов алюминия. Новый прибор теоретически может отставать от реального времени на одну секунду в 650 миллионов лет. Подобный класс устройств был назван "одно-ионными" или "оптическими" часами.

Зачем так рьяно стремиться к сокращению погрешностей в исчислении времени? Хранитель времени Великобритании Патрик Джилл считает, что это позволит ученым совершать более точные вычисления, особенно в квантовых областях физики. Также это позволит синхронизировать данные между всеми 32-мя спутниками системы GPS и рассчитывать погрешности их сигнала при прохождении атмосферы Земли.

Перед лицом хранителей времени по всему миру стоит еще множество неразрешенных задач. Одной из них является релятивистская теория Эйнштейна, в соответствии с которой погрешность атомных часов изменяется под влиянием гравитационного поля Земли. Ведь пространство, время и гравитация, связанные вместе, творят странные вещи — для объектов, поднимаемых над поверхностью Земли, время начинает двигаться быстрее. Так что голова человека стареет на несколько наносекунд в год быстрее, чем ноги.