Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы
Что такое время? Режиссеры фантастических фильмов считают, что это некое измерение, по которому можно передвигаться. В реальном мире время определяется положением предметов в пространстве. Теоретически, если мы сможем вернуть каждую частицу во Вселенной в состояние и положение, в котором все частицы находились в определенный момент, то совершим путешествие в прошлое.
Итак, пока наши знания дают возможность определять время в зависимости от механических изменений, происходящих в мире. Например, одно полное вращение вокруг своей оси Земли определяет день, а круг, совершенный ею вокруг Солнца, - год. Но у людей появилась необходимость разбить сутки на более маленькие и четко определяемые отрезки времени - часы, минуты, секунды.
Для отсчета этих единиц люди придумали особые устройства - часы. Их история длится века, а вместе с технологиями растут и требования к точности измерения времени. Если в быту мы отлично обходимся механическими и электронными часами, то наука требует куда более точных приборов.
Основой для подсчета времени служит некое повторяемое событие, когда объект возвращается в начальное состояние через строго определенный промежуток времени. Например, в механических часах крутятся шестеренки (или качается маятник), а в песочных часах наступает момент, когда все частички падают на дно сосуда.
Конечно, современные электронные и механические часы намного точнее их предшественников - водных, песочных и солнечных. Но для некоторых сфер жизни требовались еще более точные механизмы. И люди создали часы, работающие на основе процессов, происходящих внутри атома.
Как известно, атом состоит из ядра и электронного облака. Электроны располагаются на разных энергетических уровнях. Чем дальше находится электрон от ядра, тем большей энергией он обладает. Представьте привязанную к стальной балке собаку прочным, но растяжимым поводком. Чем дальше она хочет отойти, тем сильнее ей надо натянуть поводок. Конечно, сильная крупная собака сможет отойти дальше, чем маленькая и слабая.
При переходе на уровень ниже электрон испускает энергию, а при переходе на более высокий уровень - поглощает. "Прыжками" электронов можно управлять при помощи электромагнитного излучения, являющегося источником энергии. Излучение имеет определенную частоту. Эта величина обратна периоду колебания, то есть времени, необходимому для возвращения совершающего "замкнутые" движения объекта в первоначальное состояние.
Для атомных часов используют следующие элементы: кальций, цезий, водород, тулий, стронций, рубидий, торий, йод, метан. Одним из самых часто применяемых элементов для таких устройств является цезий. Электроны в атомных часах на основе цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 Гц. Именно на такое число промежутков делится секунда в этих природных часах! Согласно этому определению, официально принятому еще в 1967 году на Генеральной конференции по мерам и весам, атом цезия-133 является стандартом для измерений времени. От точности определения секунды зависит подлинность установления других основных единиц физических величин, таких как, например, вольт или ватт, содержащих время в своем определении.
Работают сверхточные часы следующим образом. Цезий-133 нагревают, и некоторые атомы покидают основное вещество. Далее они проходят через магнитное поле, которое отсеивает атомы с нужными энергетическими состояниями. Отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к частоте электромагнитного излучения при переходе электрона с одного уровня на другой в цезии-133. Под воздействием поля атомы меняют энергетические состояния и попадают на детектор, который фиксирует момент, когда наибольшее количество атомов будет обладать нужным энергетическим состоянием. Тогда значение частоты электромагнитного поля подается в делитель частоты, определяющий свою единицу посредством деления секунды. Получается "новая секунда", принимаемая за эталон минимальной единицы времени.
На данный момент самыми точными являются часы на основе атомов тория-229, сделанные британскими учеными. Исследователи утверждают, что отставать эти часы будут на десятую долю секунды за 14 миллиардов лет!
Существуют и наручные атомные часы, представленные на площадке Kickstarter компанией Bathys Hawaii. В них используется маломощный лазер, нагревающий газообразный цезий-133, атомы которого переходят с одного энергетического уровня на другой. Чип фиксирует периоды электромагнитного излучения при осуществлении этих переходов. Правда, в качестве источника питания используется обычный литий-ионный аккумулятор.
Конечно, необходимость атомных часов в быту можно подвергнуть сомнению. Но они способны значительно повысить синхронизацию времени в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, а также помочь в научных исследованиях.
