Знание-сила, 2005 № 09 (939)

И вот ныне «Нейчур» в одном из первых январских номеров посвятил свою историко-тематическую вкладку знаменитому «Аннус Мирабиле» — «Чудесному Году» в жизни А. Эйнштейна, опубликовавшему в 1905 году свою изумительную серию из пяти статей (последняя вышла в начале 1906 года), которая обессмертила его имя. Авторитетный журнал считает, что гений Эйнштейна модифицировал систему предположений и допущений, лежавших в основе физики, что привело к изменению механистической картины ньютоновского мира.

Физика тем самым была поставлена с головы на ноги, родилось реальное, а не аберрантное физическое мышление, после чего стало возможно рождение квантовой физики. В какой-то мере история повторилась через полвека, когда биологическая наука после открытия Уотсона и Крика встала с головы белковой гипотезы на ноги ДНКовой природы гена, после чего и стало возможно рождение реальной биологии.

Конечно, со времен Эйнштейна мы знаем, что во Вселенной время интетрировано с пространством, в результате чего возникло неразрывное пространство-время, которое искривляется под влиянием больших гравитационных масс. Известно также, что при запредельных скоростях, приближающихся к околосветовым, время замедляется и при «провале» в черную дыру вообще останавливается. Но оперируя этим знанием, наука тем не менее ничего не говорит о том, что такое время.

А весь прогресс ее — суть повышение разрешающей способности измерений все более кратких мгновений времени. Дело уже дошло до атгосекундных лазерных импульсов, при которых секунда дробится на доли, равные 1C¹⁸. При таких длительностях импульса не то что молекула, атом «замораживается» в своем движении, что позволяет детально изучать переходы электронов с одного квантового уровня на другой.

Сегодня уже трудно представить себе мир без мобильников и интернета, которые невозможны без миниатюрных атомных «ловушек», где движение единиц материи затормаживается чуть ли не до нуля с помощью лазерного света. У заторможенного же атома легко измерить квантовый переход, или классический боровский «скачок» с одного уровня на другой. Скачки эти совершаются за строго определенные промежутки, что и явилось новым стандартом времени.

Первые «примитивные» атомные часы использовали для определения квантового перехода микроволновое излучение, длина волны которого составляет 3,2 сантиметра. Поэтому обычные «промышленные» атомные часы, стоящие ныне в самых разных национальных бюро и институтах стандартов, представляют собой довольно внушительное сооружение размером с большой платяной шкаф.

Точность хода этих часов такова, что ошибка в 1 секунду набегает «всего лишь» за 30 миллионов лет! Гораздо шире распространены более «примитивные» часы размером с коробку из под обуви. Точность их на 3 порядка ниже, но зато тысячи подобных часов весьма активно используются по всему миру — ее хватает для современных средств связи, FM-радио, а также передачи данных в сетях со многими пользователями.

Бегунов на 100 метров обязательно разделяют по дорожкам, иначе они в своем неудержимом стремлении к финишу переломают друг другу ноги. Стайеры же бегут свои 5 или 10 тысяч метров с гораздо меньшими скоростями, поэтому им можно бежать и в толпе.

Атомам же цезия в стандартных часах приходится выступать «в толпе». Цезий был выбран при создании атомных часов благодаря тому, что он довольно легко испаряется при невысокой температуре, но в то же время масса его атомов достаточно велика, чтобы атомы вели себя в «облаке» весьма достойно и сдержанно.

При воздействии на облако микроволнового излучения с частотой 10 гигагерц атомы поглощают его энергию, которая индуцирует — вызывает — переход электронов с одного квантового уровня на другой. В целом таких возможных уровней 16, но создателей часов волнует лишь два специфических с максимально возможной частотой перехода.

В цезиевых часах оптимальная частота выходного сигнала составляет 9192 631 770 герц. Это и есть атомный эталон времени. Можно еще сказать, что атомные часы делают такое вот огромное количество «тик-таков» в 1 секунду. Можно также добавить, что «разведение» двух указанных энергетических состояний достигается колебаниями слабого магнитного поля.

Размер атомных часов диктуется, как уже говорилось выше, длиной волны излучения в 3,2 сантиметра.

Эта длина налагает ограничение на возможную и желательную миниатюризацию атомных часов.

В силу естественных причин, прежде всего охлаждения атомного облака, точность хода атомных часов определяется двумя основными параметрами. Это прежде всего повышение уровня сигнала по отношению к фоновому «шуму», то есть чтобы полезный сигнал не «размывался». А это размывание ведет к «уходу» от оптимальной частоты, что и является вторым параметром.

Все эти квантовые сложности долгие десятилетия мешали физикам построить миниатюрные атомные часы, да к тому же и достаточно дешевые, что позволило бы двинуть атомный стандарт времени в широкие массы. Помощь пришла с совершенно неожиданной стороны, а именно из электроники.