Пока вы читали это, атом цезия-133 совершил 9 192 631 770 переходов между энергетическими уровнями сверхтонкой структуры. Таков современный эталон единицы времени — секунды, принятый в 1967 году.
9192631770 переходов цезия-133: что такое эталон секунды?

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.

От солнечной секунды до маятника

Промышленная и научная революция также требовали точного измерения времени. Первым общепринятым эталоном секунды стало ее астрономическое определение, согласно которому 1 с равна 1/86 400 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 1/31 556 925 9747 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.
Принцип действия фонтанного эталона частоты на холодных атомах
Принцип действия фонтанного эталона частоты на холодных атомах
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 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры изотопа цезия-133.

Атомный маятник

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 9 192 631 770 Гц (этот процесс похож на настройку радиоприемника, когда вы крутите ручку, добиваясь максимальной громкости и чистоты сигнала).

Принцип действия цезиевого эталона частоты
Принцип действия цезиевого эталона частоты
«Точность подобных часов может достигать порядка 10-14, — объясняет Виталий Пальчиков, заместитель начальника Главного метрологического центра государственной службы времени и частоты (ГМЦ ГСВЧ, входит в состав ВНИИФТРИ) по научной работе. — 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.

Часовые фонтаны

Фото
«Они действительно похожи на фонтан, — говорит Виталий Пальчиков. — 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 млн лет, и сейчас используется практически во всех основных метрологических центрах в различных странах мира, у нас во ВНИИФТРИ два таких фонтана. 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, как это делаем мы и французские исследователи, путем моделирования и учета соответствующих поправок». 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, — поясняет Игорь Норец, начальник отдела эксплуатации государственного первичного эталона единиц времени, частоты и национальной шкалы времени ГМЦ ГСВЧ. — 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. В нашем ГМЦ ГСВЧ таких хранителей девять. Производит их Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц», и это, пожалуй, самые точные в мире водородные генераторы. В итоге российская шкала является одной из пяти самых точных в мире — наряду с немецкой (PTB), двумя американскими (USNO, NIST) и шкалой Парижской обсерватории. Отклонения от международной шкалы составляют не более 5 нс».

Оптические стандарты

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, — говорит Сергей Слюсарев, начальник отдела оптических стандартов частоты ВНИИФТРИ. — Такие оптические стандарты уже разрабатываются во многих исследовательских институтах, в том числе и у нас, 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».
Атом на запястье
Среднемесячный уход современных кварцевых наручных часов составляет обычно несколько секунд. Производители оснащают некоторые модели системой автоматической коррекции по радиосигналам точного времени (работает в некоторых странах) или даже по сигналам спутников GPS. А в 2011 году американская компания Symmetricom представила сверхкомпактные атомные часы в размере микрочипа SA.45s Quantum Chip Scale Atomic Clock (CSAC) — 4? х?3,5?х?1,1 см и массой всего 35 г, CSAC потребляет всего 0,1 Вт и обеспечивает точность в 10−11−10−12 (уход примерно в 1 секунду за 3−30 тысяч лет). На основе этого чипа можно изготовить наручные атомные часы, хотя, конечно, основная область его использования — это создание автономных (без синхронизации с GPS) сверхточных генераторов частоты, нужных для военных, научных, промышленных и других применений.
«Каждые десять лет требования потребителей к точности часов возрастают на порядок, то есть в десять раз, — говорит Виталий Пальчиков. — Зачем нужны такие точные часы? В первую очередь для той же самой задачи, для которой они понадобились триста лет назад: для навигации. И не только спутниковой. Часы на базе оптических эталонов многое дадут и науке, и промышленности. Они достаточно точны, чтобы их можно было использовать для прямых гравиметрических измерений, — а это принципиально новый подход к навигации, поиску полезных ископаемых, да и вообще изучению нашего мира».

Четыре Нобеля

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.

Статья «О секундах свысока» опубликована в журнале «Популярная механика» (№10, Октябрь 2015).