Термин «атомные часы» может вызывать в воображении страшные образы из фильмов ужасов 1950-х годов: устройство Судного дня, сконструированное маньяком в лабораторном халате в горной крепости, отсчитывает секунды, прежде чем стереть с лица земли вся планета. В действительности, однако, атомные часы - одно из самых безобидных изобретений, появившихся в результате взрыва - упс, может быть, не лучший выбор слова - знаний о работе атома и его частей. Это знание пришло после Манхэттенского проекта Второй мировой войны по разработке атомной бомбы.
Но, в отличие от бомбы, атомные часы не расщепляют атомы и не взрываются. Вместо этого они используют колебание - то есть изменение потока электрического заряда - между ядром атома и окружающими его электронами, точно так же, как старомодные напольные часы могли бы использовать маятник. Поскольку колебания атома включают в себя невероятно малые единицы времени - атом цезия, например, имеет частоту 9 192 631 770 циклов в секунду - и чрезвычайно постоянен, часы, настроенные на такие колебания, могут показывать время гораздо точнее. чем те старые напольные часы.
Вот почему атомные часы с момента их изобретения в конце 1940-х годов стали важным инструментом в современном мире, зависящем от технологий. Атомные часы позволяют синхронизировать время в сложных системах, от Интернета до системы спутников глобального позиционирования.
Но для чего-то, что стало такой нормальной и полезной частью нашей жизни, атомные часы по-прежнему остаются немного загадочными и загадочными. Вот некоторые из множества странных и удивительных фактов об этих полезных устройствах.
10: Атомные часы изменили способ расчета общепринятых единиц времени
Когда тысячи лет назад люди начали отслеживать течение времени, они делали это, наблюдая за видимым движением солнца по небу, которое на самом деле было связано с вращением Земли, и основывая единицы времени на это путешествие. Традиционно, например, секунда определялась как 1/86 400 средней продолжительности солнечного дня.
Но с появлением атомных часов, которые были гораздо более надежными, чем движение самой Земли, возникла необходимость изменить этот стандарт. В 1967 году секунда была переопределена как время, за которое атом изотопа цезия-133 совершил 9 192 631 770 циклов.
9: Атомные часы используют один электрон от каждого атома цезия для отсчета времени
Как мы объясняли ранее, электроны вращаются вокруг центра атома, который называется ядром. Представьте себе очень маленькую версию нашей Солнечной системы с планетами, вращающимися вокруг Солнца, и вы поймете общую идею. Физики обнаружили, что электроны удивительно регулярны в своих движениях - они имеют тенденцию оставаться в пределах узкого диапазона орбит, а расстояние от ядра определяется тем, сколько излучения они испускают в данный момент. Расстояние между самой низкой орбитой и самой высокой орбитой, по которой движется электрон, называется частотой.
В случае с цезием, который используется в атомных часах, ученые сосредотачиваются только на одном из 55 электронов этого элемента - на самом удаленном, который занимает орбиту, заметно более высокую, чем остальные. Разница в энергии между ближайшей к ядру орбитой самого внешнего электрона и его самой дальней орбитой соответствует радиочастоте 9 192 631 770 циклов. Это та часть, которую ученые фактически используют для расчета времени и разбивания его на невероятно короткие единицы менее одной миллиардной доли секунды.
8: Атомные часы сейчас невероятно надежны, но первые не были такими
В 1948 году Национальное бюро стандартов США построило первые в мире атомные часы. Вместо цезия в первых часах использовались атомы аммиака, которые нагревались и выстреливались из медной трубы. Хотя первые часы доказали, что концепция атомных часов работает, на самом деле они никогда не использовались для измерения времени. Первые атомные часы отставали примерно на одну секунду каждые четыре месяца. Это сделало их менее надежными, чем существующая технология, кварцевые часы, которые измеряли колебания куска кварца, когда к нему прикладывался электрический заряд.
В конце концов ученые перешли на цезий, который имел более короткие колебания, и усовершенствовали конструкцию различными способами. Модель 1959 года умудрялась отсчитывать время с погрешностью в одну секунду за 2000 лет, а к 1964 году часы стали настолько точными, что им требовалось 6000 лет, чтобы отставать или отставать на секунду. Сегодня современные атомные часы сбиваются всего на одну секунду после 6 миллионов лет использования.
7: Цезий, вещество, используемое в атомных часах, является довольно странным элементом
Начнем с того, что иногда пишется как "цезий". Цезий был открыт в 1860 году Робертом Бунзеном, более известным школьникам-химикам как изобретатель горелки Бунзена. И это настолько странно увлекательный материал, что в начале 1990-х он вдохновил на создание интернет-группы новостей Alt.cesium, которая была посвящена «обсуждению, восхвалению, почитанию и обожанию, размещению песен, стихов, рассказов и притч о и об этом самом возвышенном из элементов». Широко известный как «другой золотой металл», это один из трех металлов, которые не имеют серый или блестящий серебристый цвет (два других - золото и медь).
Тип цезия, встречающийся в природе, цезий 133, довольно сложно обнаружить. Естественным источником, дающим наибольшее его количество, является редкий минерал под названием поллуцит, который в США встречается в руде из штата Мэн и Южной Дакоты. Хотя это металл, цезий плавится при очень низкой температуре - 82 градуса по Фаренгейту (22,7 градуса по Цельсию) - и взрывается при контакте с холодной водой. На воздухе иногда самопроизвольно загорается, горя блестящим небесно-голубым пламенем.
6: Атомные часы используют для определения времени кусок кварца, а не атом цезия
Вы, вероятно, немного озадачены этим, учитывая, что мы потратили все это время, рассказывая вам, насколько точнее атомные часы благодаря использованию в них колебаний цезия. Но та часть часов, которая на самом деле отсчитывает время, представляет собой стандартный кварцевый осциллятор, который подвергает часть кристалла воздействию электрического тока, заставляя его вибрировать. Разница в том, что в большинстве обычных кварцевых часов осциллятор настраивается точно, когда часы строятся, но его частота никогда не проверяется и не регулируется после этого, а это означает, что со временем развиваются небольшие вариации, которые делают часы немного быстрее или быстрее. немного медленно. Однако в атомных часах колебания цезия используются для проверки частоты кварцевого устройства, что придает часам такую поразительную точность.
5: В 2008 году ко всем атомным часам на Земле была добавлена секунда
Незадолго до 19 часов.м. 31 декабря 2008 года ученые перевели атомные часы по всему миру ровно на одну секунду вперед, чтобы синхронизировать всемирное координированное время (UTC), международный стандарт атомных часов, с вращением Земли. Сбились не часы, а планета, скорость вращения которой каждый день замедляется примерно на две миллисекунды различными тормозами: космической пылью, магнитными бурями, солнечными ветрами, сопротивлением собственной атмосферы и, самое главное,, притяжение Луны к Земле, которое не только вызывает океанские приливы, но и заставляет всю планету вздуваться.
Эффект всего этого заключается в том, что солнечный день удлиняется и немного отклоняется от него по сравнению с нашими сверхточными атомными часами. Потребуются сотни лет, чтобы несоответствие стало заметным, чтобы положение солнца на небе отличалось от времени на домашних часах (которые вы, вероятно, установили по правильному номеру телефона, который основан на UTC). Чтобы этого никогда не произошло, в 1972 году международное соглашение постановило, что атомные часы будут периодически корректироваться в унисон.
4: С помощью атомных часов было доказано, что чем выше вы живете над уровнем моря, тем быстрее стареете
Идея о том, что кто-то, кто живет в горах, стареет быстрее, чем человек, который живет на пляже, может показаться немного нелепой, но на самом деле это правда. Эта концепция была впервые выдвинута около века назад физиком Альбертом Эйнштейном, чья специальная теория относительности постулировала, что время не постоянно, а относительно. (Вот почему они называют это относительностью.) В 2010 году Джеймс Чин-Вен Чжоу и его коллеги из Национального института стандартов и технологий (NIST) провели эксперимент, чтобы проверить рассуждения Эйнштейна. Они разместили двое атомных часов на расстоянии около 30 сантиметров друг от друга над уровнем моря и обнаружили, что более высокие из двух часов идут немного быстрее. Однако в реальном выражении разница не будет заметной; По словам Чжоу, горный житель будет стареть примерно на 90 миллиардных долей секунды быстрее за 79 лет жизни.
3: Ученые повысили точность атомных часов с помощью лазерных лучей
Если вы когда-нибудь видели сцену в фильме «Голдфингер», во время которой злодей угрожает разрезать Джеймса Бонда пополам с помощью лазера, вы, вероятно, задаетесь вопросом, почему лазер не прожжет дыру в атомные часы вместо того, чтобы заставить их работать точнее. Но на самом деле он может сделать последнее. Потерпите, потому что это довольно сложно.
Атомные часы, по сути, бомбардируют атомы цезия микроволнами, чтобы вызвать какое-то действие, которое ученые затем могут измерить. Ограничение обычных атомных часов заключается в том, что они могут уловить только небольшую часть атомов цезия с помощью микроволн. Подвергая атомы воздействию лазерного луча - процесс, называемый лазерной оптической накачкой, - вы можете замедлить скорость атомов, что дает микроволнам больше шансов поразить их. Это, в свою очередь, обеспечивает более точный сигнал, что позволяет ученым использовать колебания цезия для еще более точного определения времени. Как ни странно, этот процесс также охлаждает атомы цезия вплоть до нескольких миллионных долей градуса выше абсолютного нуля по шкале Кельвина.
2: Атомные часы сделают ваш телефонный разговор понятным
В наши дни телекоммуникационные компании передают телефонные звонки по частям, называемым пакетами, что позволяет им одновременно передавать огромное количество разговоров по своим проводам. Когда вы звоните кому-то в другой город, ваши слова разбиваются и передаются между компьютерами на каждом конце, которые переключаются между разговорами тысячи раз в секунду. Однако для того, чтобы это работало, два компьютера должны оставаться в идеальной синхронизации, как пара невероятно ловких игроков в пинг-понг, которые могут с молниеносной скоростью ударить друг друга эквивалентом грузовика с маленькими мячиками и никогда не промахнуться. Если они промахнутся, вызовы перемешаются и будут звучать как тарабарщина. Вот почему телекоммуникационные компании в наши дни имеют свои собственные атомные часы, чтобы предотвратить это, поддерживая компьютеры почти идеально синхронизированными друг с другом в любое время.
1: Атомные часы следующего поколения могут быть в состоянии точно определять время во Вселенной
Ученые продолжают придумывать способы сделать атомные часы все более и более точными, но исследователи из Технологического института Джорджии и Университета Невады недавно предложили поистине умопомрачительное достижение. Если говорить очень упрощенно, вот в чем дело: они хотят использовать лазеры для перестройки частей атома, чтобы они могли использовать вращающийся нейтрон, а не электрон, в качестве эквивалента маятника. В результате могут появиться часы, которые будут в 100 раз более точными, чем любые из существующих сейчас, настолько точными, что они будут отставать или отставать менее чем на одну двадцатую секунды за 14 миллиардов лет. Подумайте вот о чем: самой Вселенной примерно 14 миллиардов лет, поэтому, если бы эти часы каким-то образом можно было отправить назад на машине времени к моменту Большого взрыва, с которого все началось, они бы все еще тикали сегодня, практически в идеальном темпе с каждое мгновение, которое когда-либо происходило.
Примечание автора
Я всегда был очарован хронометражем и часами, и, будучи учеником начальной школы в 1960-х годах, я впервые узнал о чуде атомных часов, которые могли измерять крошечные единицы времени с невероятной точностью. Но пока я не начал исследования для этого произведения, мне и в голову не приходило, что можно сконструировать часы, которые показывают время с большей точностью, чем вращение Земли. Но поскольку атомные часы использовались для доказательства теории Эйнштейна о том, что время зависит от положения и скорости человека, а не является постоянным, я должен задаться вопросом, существует ли вообще такая вещь, как правильное время. Я думаю, что в следующий раз воспользуюсь этим как оправданием своего опоздания к дедлайну!