Возможно, вы попадали в такую ситуацию: вы спешите на важную встречу и ваши часы говорят, что вы успеваете. Но, к вашему разочарованию, партнер говорит, что вы опаздываете. Настенные часы показывают, что вы опоздали на пять минут. Оправившись от этого, безусловно, тяжелого потрясения, вы задаетесь вопросом: как это вообще возможно? Ведь вы из тех людей, кто приобретая новые часы, сразу же точно их настраивает – с точностью до секунды.

Почему часы по всему миру так расходятся в показаниях? И чье время правильное: ваше или вашего партнера, например? Стоит ли вообще переживать касательно расхождений в минуту? Для начала давайте немного вспомним историю часов.

Разумеется, первые люди часов не носили. И они им не особо были нужны, поскольку образ жизни охотников-собирателей не требует знания расписания поездов или штрафов за опоздания. Но развитие цивилизации и разделение труда оказывает большое давление на людей: они вынуждены работать совместно, поскольку так будет наиболее эффективно. Первым новшеством, которое направило нас по этому пути, были солнечные часы, измеряющие тень, отбрасываемую солнцем. Египтяне, которые были обеспокоены отсчетом времени по ночам, чтобы их жрецы знали, когда проводить ритуалы, изобрели водяные часы: по существу, гигантскую вазу с дыркой в дне, измеряющую часы по каплям. В средневековой Европе, в 1300-х годах, изобретение механических часов и вовсе позволило точно отслеживать время. Первые механические часы могли отставать на 15 минут, но благодаря изобретению маятниковых часов датского ученого Кристиана Гюйгенса в конце 1600-х, ежедневная потеря времени свелась всего в 10 секундам. В 1850-х годах American Watch Co. в Уолтеме, штат Массачусетс, выпустила первые пружинные карманные часы массового производства, которые позволили людям отслеживать время везде, куда бы они ни пошли.

И вот, когда у каждого появились часы, возник другой вопрос: на какое время ориентироваться всем и каждому? В 19 веке были сотни вариантов местного времени, каждое из которых определялось большими часами в местных судах или городских залах, которые, в свою очередь, настраивались по полуденному солнцу в каждом месте. И если в Чикаго полдень, то в Сент-Луисе – 11:40, а в Детройте – 12:18. Для развивающейся железнодорожной отрасли это явило собой серьезную проблему: поездам нужны были точные расписания. Сами железнодорожные пути настраивали часы по звездным обсерваториям Гарвардского колледжа, откуда получали время по телеграфу. Чтобы устранить расхождения между местным и железнодорожным временем, в 1883 году железнодорожные компании разделили США на четыре временных пояса, каждый со своим временем, и поставили города перед выбором: приспособиться или столкнуться с экономической изоляцией. В конечном счете все синхронизировалось.

В 20 веке ученые разработали часы, настроенные на колебания кристаллов и даже отдельных атомов, что дало им возможность измерять время в таких крошечных единицах – вплоть до триллионных долей секунды – что они вышли за рамки нормального, ничем не вооруженного человеческого восприятия. Поэтому все мы имеем одно и то же время на часах и не опаздываем на встрече (ну кроме тех случаев, когда опаздываем).

Чисто теоретически, мы должны быть синхронизированы как… как атомные часы. Начиная с 1970-х появление кварцевых наручных часов на батарейках обеспечило обычных ребят доступом к технологии точного времени, которая однажды была доступна лишь ученым и техникам. Обычно, если вы подвергаете крошечный кусочек кварца воздействию электричества и затем сгибаете его, кристалл будет давать относительно постоянный электрический сигнал, который можно использовать для работы электронного циферблата. К началу 2000-х кварцевые часы стали настолько популярны, что доля механических часов на мировом рынке упала всего до 13%.

Но кварцевые часы потребительского класса не являются абсолютно точными. Не забывайте, что речь идет об относительно дешевых миниатюрных устройствах, которые выпускаются в огромных количествах на заводе – а не о каком-то устройстве за пару миллионов долларов, собранном в лаборатории. Даже самые дорогие часы с кварцевым кристаллом в ювелирном магазине будут полагаться на механические вибрации, на частоту которых влияет ряд факторов, включая размер и форму кристалла. Два кристалла кварца не будут совершенно идентичными, и это приведет к легкому расхождению между двумя парами часов на сборочной линии. На точность таких часов также будут влиять внешние факторы, такие как температура и влажность.

В результате этого кварцевые часы имеют тенденцию слегка терять в точности с течением времени – акцент на слово «слегка». Эксперты считают, что кварцевые часы потребительского класса, как правило, теряют от одной десятой до двух секунд в день – на длинном периоде это расхождение, если его не корректировать, будет приводить к отставанию в несколько минут. Также исследователи говорят, что дешевые часы чуть более точны.

Что же, если даже дешевые кварцевые часы отстают меньше чем на секунду в день, почему ваши часы так сильно лгут, если вы опаздываете на встречу? Вероятнее всего, вы не заводили их когда нужно было либо изначально поставили неверное время, либо постоянно двигались, подвергая часы перепадам температур и влажности. Но покупать новые часы не нужно. Достаточно будет проверять их каждые два месяца.

С древних времен человек пытался понять, что такое время. И, разумеется, измерить его. Чего только не придумали люди за многие столетия – от водяных, песочных и солнечных часов до астрономических и механических. Большинство из них не были слишком точными, но это никого всерьез не беспокоило. Все изменилось в эпоху Великих географических открытий: для морской навигации позарез требовались точные часы, поскольку ошибка в определении местоположения приводила к потере кораблей, людей и товаров. В XVIII веке сразу несколько морских держав (Испания и Португалия, Голландия, Франция и Великобритания) учредили крупные денежные премии за создание точных часов, которые можно было использовать для навигационных измерений. Британскую премию выиграл часовщик-самоучка Джон Харрисон, который сконструировал часы со среднесуточным уходом в две секунды (это при том, что часы тогда считались особо точными, если имели минутную стрелку), что приводило к навигационной ошибке всего в десять морских миль.

Промышленная и научная революция также требовали точного измерения времени. Первым общепринятым эталоном секунды стало ее астрономическое определение, согласно которому 1 секунда равна 1/86400 солнечных суток. Позднее выяснилось, что Земля вращается не совсем равномерно, и определение уточнили – «средних солнечных суток». Потом стало ясно, что в связи с замедлением вращения Земли (в основном за счет воздействия приливных сил со стороны Луны) такая секунда слишком нестабильна для эталона, и определение сменили. Новая секунда, введенная в 1957 году, базировалась на эфемеридах, то есть орбитальном движении Земли вокруг Солнца, и определялась как 1/315569259747 доля продолжительности конкретного (1900-го) тропического года. Но хотя этот эталон был более стабильным, чем солнечная секунда, он практически применялся только в астрономии, поскольку воспроизводить его в лаборатории было весьма затруднительно.

Гораздо большее распространение на практике получили старые добрые маятниковые часы, конструкция которых базировалась на классических трудах Галилео Галилея. К началу XX века, пройдя три столетия эволюции, конструкции таких часов достигли достаточного совершенства, чтобы обеспечить измерение интервалов времени с относительной погрешностью порядка 10^-7, что соответствует среднегодовому уходу в единицы секунд. Такую точность обеспечивали часы, созданные британским инженером Уильямом Шортом в 1921 году. Часы с циферблатом и стрелками, приводимыми в движение секундным маятником, синхронизировались с помощью электрической цепи по второму, эталонному секундному маятнику, который качался в колбе с разреженной атмосферой.

В СССР эти часы были значительно усовершенствованы физиком и механиком Феодосием Федченко, который в 1950-х во Всесоюзном научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) создал механизм АЧФ (Астрономические часы Федченко) с изохронным маятником, обеспечивавший точность порядка 10^-8 (секунда за десять лет). Эти часы (наряду с появившимися в то время кварцевыми) использовались в практических целях до 1980-х, еще несколько десятилетий после того, как в 1967 году было введено новое определение секунды. Новая секунда перестала быть привязана к каким-либо астрономическим измерениям, а стала равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры изотопа цезия-133.

Идею использовать атомы в качестве стабильного маятника выдвинул лорд Кельвин в 1879 году. Правда, тогда технология еще не обеспечивала возможность ее реализации, поэтому первые эксперименты начались только через 60 лет. В 1940 годах американские физики из Колумбийского университета под. руководством Исидора Раби экспериментировали с цезием-133, а в Национальном бюро стандартов разработали свой эталон на основе аммиака, который, впрочем, по точности уступал кварцевым осцилляторам. Решающий шаг сделал Норман Рэмси из Гарвардского университета, предложивший концепцию «разнесенных осциллирующих полей», которая легла в основу атомных часов, а самому Рэмси принесла Нобелевскую премию за 1989 год.

Цезиевые атомные часы первого поколения, а точнее – их главная часть, сверхточный генератор (репер), представляли собой длинную вакуумную трубу, в которую с помощью тепловой пушки выстреливался пучок атомов цезия-133. Атом цезия может находиться в одном из двух энергетических состояний, и восьмиполюсный магнит на входе отсеивал одно из них. Далее пучок пролетал через резонатор Рэмси, где пучок микроволн, настроенных на частоту перехода между этими состояниями, переводил часть атомов в другое состояние. На выходе из трубы магнит отсеивал часть атомов, которые не изменили своего состояния, а остальные направлял на детектор. Изменяя частоту микроволн, можно добиться того, чтобы как можно больше атомов изменяло свое состояние при пролете резонатора, и в момент достижения максимума эта частота будет в точности соответствовать частоте перехода в атоме цезия, равной 9192631770 Гц (этот процесс похож на настройку радиоприемника, когда вы крутите ручку, добиваясь максимальной громкости и чистоты сигнала).

Точность подобных часов может достигать порядка 10^-14. Более точными такие часы сделать нельзя, потому что процесс происходит при комнатной температуре, и тепловое движение атомов приводит к появлению эффекта Доплера, то есть уширению резонансной линии до 100 Гц. Для повышения точности нужно охладить атомы до низких температур, и такой способ был придуман. Его в свое время предложил советский физик Владилен Летохов, а позднее его идею развили Чу, Коэн-Таннуджи и Филлипс, за что в 1997 году получили Нобелевскую премию по физике. Метод лазерного охлаждения заключается в том, что атомы взаимодействуют с двумя лазерными лучами, имеющими перпендикулярную поляризацию, и испытывают ряд переходов, отдавая энергию и замедляясь, то есть охлаждаются до нескольких сотен микрокельвинов – это называется Сизифово охлаждение. В 1997 году Международное бюро мер и весов уточнило определение секунды: атом цезия должен покоиться при температуре, близкой к абсолютному нулю, и вскоре в мире появились первые часы фонтанного типа.

Облако атомов цезия, охлажденное до очень низких температур, захватывают в оптическую ловушку и подбрасывают с помощью лазерных лучей через СВЧ-резонатор. А потом лазеры отключаются, и атомы под. действием силы тяжести медленно падают вниз сквозь этот же резонатор. В качестве селектора и детектора используется еще один лазер, взаимодействующий с облаком холодных атомов. Такой генератор имеет точность порядка 3-5•10^-16, то есть 1 секунда за 300 миллионов лет, и сейчас используется практически во всех основных метрологических центрах в различных странах мира. Точность этих часов сейчас пытаются повысить. Основной источник нестабильности частоты фонтана – это чернотельное излучение оборудования, и его пытаются либо убрать за счет криогенного охлаждения, как это делают в американском Национальном институте стандартов (NIST), либо путем моделирования и учета соответствующих поправок.

Разработки и открытия, которые в настоящее время применяются в атомных часах, принесли своим авторам четыре нобелевские премии. Норман Рэмси в 1989 году получил высшую научную награду за изобретение метода разнесенных осциллирующих полей; Стивен Чу, Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Филлипс в 1997 году – за разработку метода лазерного охлаждения атомов; Джон Холл и Теодор Хенш в 2005 году – за сверхточную лазерную спектроскопию (методы преобразования оптических частот – радиочастотный мост), Серж Арош и Дэвид Вайнленд в 2012-м – за методы манипуляции и измерения параметров отдельных атомов.

Фонтанный генератор – это главная, но не единственная часть эталона времени и частоты. Это так называемый репер, своеобразный камертон, который может в любой момент воспроизвести величину единиц измерения. Он не работает постоянно, а лишь включается время от времени. А для поддержания непрерывной шкалы времени используются хранители частоты – водородные СВЧ-генераторы (мазеры). На долговременных интервалах порядка суток их частота дрейфует, но по хорошо известному закону, и это можно учесть при расчете национальной шкалы. 

Дальнейшее совершенствование эталона связано в первую очередь с разработкой оптических стандартов частоты. В новых эталонах будут использоваться не переходы на радиочастотах, а оптические. Их частоты на много порядков выше, а значит, выше точность. Такие оптические стандарты уже разрабатываются во многих исследовательских институтах, они основаны на взаимодействии лазерного излучения с отдельными атомами или ионами алюминия, стронция или ртути, захваченными в магнитооптические ловушки. Уже сейчас существуют отдельные экспериментальные образцы с точностью воспроизведения частоты порядка 10^-17-10^-18. Скорее всего, в 2020-х годах состоится переход на такие стандарты, что повысит точность временной шкалы на один-два порядка».

Мировой рекорд установили часы из Национального института стандартов и технологий (NIST), которые могут непрерывно работать 15 миллиардов лет, при этом их погрешность не достигнет и одной секунды. Упрощенно объяснить вам, как устроены атомные часы, можно следующим образом: в центре часов расположен кластер атомов стронция, атомы эти окружены решёткой из лазерных лучей. Стабильный красный лазер позволяет атомам переключаться между двумя энергетическими уровнями. Это приводит к тому, что атомы стронция начинают вибрировать с огромной частотой, чем-то напоминая микроскопические метрономы, отсчитывающие доли секунды. Зная точную скорость этих вибраций, учёные и получают точное значение времени.

Чтобы повысить точность (отражение точного времени вибрации атома стронция) и стабильность (вибрации всех атомов должны быть одинаковыми), исследователи работают над уменьшением влияния температуры окружающей среды на прибор. Именно температура является злейшим врагом точности работы таких часов, меняя скорость реакции атомов на воздействие лазера. Благодаря новым технологиям, задействованным в последней версии атомных часов, теперь они стали в три раза более точными (в 2014 году именно этим часам принадлежал предыдущий мировой рекорд).

Часы эти настолько точны, что реагируют изменением течения времени даже на небольшие перемены гравитации, если их поднять или опустить на пару сантиметров. Это порождает закономерный вопрос: можем ли мы использовать единое время для всего человечества, ведь оно протекает по-разному для точек, расположенных на разной высоте? Могут ли одни атомные часы, установленные в какой-либо точке Земли, являться эталоном для всех остальных уголков нашей планеты? Как вы считаете, уважаемые читатели?

Вы хотя бы раз задумывались о том, как регулируется время? Атомные часы показывают время лучше любых других часов. Они показывают время лучше, чем вращение Земли и движение звезд. Без атомных часов GPS-навигация была бы невозможной, Интернет не был бы синхронизирован, а положение планет не было бы известно с достаточной точностью для космических зондов и аппаратов.

Атомные часы не радиоактивны. Они не полагаются на атомный распад. Более того, у них есть пружина, как и у обычных часов. Самое большое отличие стандартных часов от атомных в том, что колебания в атомных часах происходят в ядре атома между окружающими его электронами. Эти колебания сложно назвать параллелью балансовому колесику в заводных часах, однако оба типа колебания можно использовать для отслеживания уходящего времени. Частота колебаний внутри атома определяется массой ядра, гравитацией и электростатической «пружиной» между положительным зарядом ядра и облаком электронов вокруг него.

Сегодня существуют различные типы атомных часов, однако построены они на одних и тех же принципах. Основное различие связано с элементом и средствами обнаружения изменений уровня энергии. Среди разных типов атомных часов существуют следующие:
• Цезиевые атомные часы, использующие пучки атомов цезия. Часы разделяют атомы цезия с разными энергетическими уровнями магнитным полем.
• Водородные атомные часы поддерживают атомы водорода на нужном энергетическом уровне в контейнере, стены которого сделаны из специального материала, поэтому атомы не теряют высокоэнергетическое состояние слишком быстро.
• Рубидиевые атомные часы, самые простые и компактные из всех, используют стеклянную ячейку с рубидиевыми газом.

Самые точные атомные часы сегодняшнего дня используют атом цезия и обычное магнитное поле с детекторами. Кроме того, атомы цезия сдерживаются лазерными лучами, что уменьшает небольшие изменения частоты из-за эффекта Доплера.

Как работают атомные часы на основе цезия? У атомов есть характерная частота колебаний. Знакомый вам пример частоты – это оранжевое свечение натрия в поваренной соли, если ее бросить в огонь. У атома есть много разных частот, некоторые в радиодиапазоне, некоторые в диапазоне видимого спектра, а некоторые между этими двумя. Цезий-133 чаще всего выбирают для атомных часов.

Чтобы вызвать резонанс атомов цезия в атомных часах, нужно точно измерить один из переходов или резонансную частоту. Обычно это делается путем блокировки кварцевого генератора в основном микроволновом резонансе атома цезия. Этот сигнал находится в микроволновом диапазоне радиочастотного спектра и обладает той же частотой, что и сигналы спутников прямого вещания. Инженеры знают, как создать оборудование для этой области спектра, в мельчайших подробностях.

Чтобы создать часы, цезий сначала нагревают так, что атомы выпариваются и проходят через трубу с высоким вакуумом. Сначала они проходят через магнитное поле, которое выбирает атомы с нужным энергетическим состоянием; потом они проходят через интенсивное микроволновое поле. Частота микроволновой энергии скачет туда-сюда в узком диапазоне частот, так что в определенный момент она достигает частоты 9192631770 герц (Гц, или циклов в секунду). Диапазон микроволнового генератора уже близок к этой частоте, поскольку ее производит точный кварцевый генератор. Когда атом цезия получает микроволновую энергию нужной частоты, он меняет свое энергетическое состояние.

В конце трубки другое магнитное поле отделяет атомы, которые изменили свое энергетическое состояние, если микроволновое поле было нужной частоты. Детектор в конце трубки дает выходной сигнал, пропорциональный количеству атомов цезия, которые в него попадают, и достигает пика, когда микроволновая частота достаточно верна. Этот пиковый сигнал нужен для корректировки, чтобы привести кварцевый генератор, а значит и микроволновое поле к нужной частоте. Эта заблокированная частота затем делится на 9192631770, чтобы дать знакомый всем один импульс в секунду, нужный реальному миру.

Для чего же создаются такие часы? Без атомных часов невозможна было бы синхронизировать космические орбитальные станции, направлять спутники, система GPS – просто перестала бы функционировать. Первоначальная проблема таких часов – внушительные габариты, также была минимизирована американскими учеными, которые разработали атомные часы сверхмалых размеров, обладающих минимальным уровнем погрешности. Последние разработанные учеными атомные часы также планируется использовать для создания самой точной карты гравитации Земли, что, безусловно, может перевернуть наше представление о планете.