Представьте себе огромный циферблат, где находится не 60, а 9192631770 делений, которые составляют всего 1 секунду. Именно с такой частотой атом Цезия 133 совершает переход с одного энергетического уровня на другой и именно на такие промежутки делят секунды атомные часы — самый точный измерительный прибор за всю историю времени. Неудивительно, ведь атомы не подвержены старению, не изнашиваются, а частота колебания будет всегда одинаковой для одного химического элемента, благодаря чему можно синхронно, не боясь погрешностей, сравнивать, например, показания атомных часов далеко в космосе и на Земле. Их изобретение стало пиком человеческого мастерства в истории точнейших часов.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №5(21). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Самым совершенным прибором отсчёта времени в доэлектричес­кую эпоху были маятниковые часы Уильяма Шортта. Они «шли» даже точнее, чем сама Земля. Ведь нашу планету в каком-то смысле можно назвать огромными часами — мы измеряем время относительно оборота Земли вокруг своей оси (сутки). Но из-за влияния приливов океанов вращение Земли замедляется. Так, к 2100 году сутки станут длиннее на 0,00164 секунды. А скорость вращения Земли совершенно непредсказуемо может меняться даже в течение нескольких дней! Такое «неправильное» поведение Земли было установлено как раз при помощи часов Шортта.

Следующее решение для измерения времени пришло из радиотехники. Одной из главных проблем радиовещания долго оставалась стабильность несущей частоты. Если для обычных приёмников её «уход» особой проблемы не представлял (подкрутить ручку настройки несложно), то для нарождающихся радиолокации и телевидения эта трудность казалась непреодолимой.

Всё изменилось с появлением кварцевого резонатора (­ Уолтер Кэди и Карл Ван Дайк, США, 1921) — устройства, которое способно расширяться или сжиматься в зависимости от подаваемого на него напряжения.

Один из первых образцов кварцевого резонатора

В 1927 году инженер Bell Telephone Laboratories ­ Уоррен Моррисон сконструировал прототип кварцевых часов. Почти на 30 лет кварцевые резонаторы стали основой для эталона времени. Их эра не закончилась и поныне: не перечислить все отрасли, в которых они применяются — от компьютеров до мобильных телефонов и наручных часов. Кстати, сигналы точного времени (6 «бипов» перед началом часа) появились в 1944 году на BBC тоже благодаря кварцевым часам. Станция ретранслировала сигналы часов, установленных в Гринвичской обсерватории. Точность этих «ходиков» достигала 1 миллисекунды в сутки (то есть часы «врали» на секунду примерно за три года). До «атомного» времени оставался шаг.

Идея использовать излучение атомов принадлежит знаменитому лорду Кельвину, но только идея — в 1879 году не было даже приблизительной теории строения мельчайших частиц вещества. Воплощение она получила только в середине XX века. К этому времени в руках учёных уже были проверенные практикой модели строения атомов, позволившие, например, разработать атомную бомбу и мазеры — генераторы вынужденного излучения (лазер оперирует только с видимым светом).

Но вначале советские физики Александр Прохоров и ­Николай Басов и независимо от них американец Чарлз Таунс работали не со светом, а с радиоволнами очень высокой частоты. Что произойдёт, если направить такой радиолуч на газ?

Атомы газа начнут взаимодействовать с фотонами радиолуча, рассеивая и поглощая его энергию. Если энергия внешнего фотона будет равна энергии перехода атома газа, то он будет полностью поглощён, и атом-«мишень» перейдёт в более высокое, возбуждённое, энергетическое состояние.

Затем атомы возвращаются в исходное состояние, излучая фотон точно такой же частоты. В итоге луч, проходя через газ (и не только газ), не ослабнет, а наоборот — усилится! Отсюда следует простая идея: если зафиксировано изменение интенсивности прошедшего луча, то его частота (или одна из частот) «попала» в резонанс с энергией перехода. Вспышки строго определённой частоты играли роль спускового крючка, который запускал резонансный генератор импульсов тока с кратной собственной частотой, питал кварц, игравший роль маятника.

На практике «простота» оказалась обманчивой. Дурно пахнущий аммиак, применённый в качестве рабочего тела в первом мазере, упорно не хотел давать чёткие спектральные линии, сильно сказывались влияние эффекта Доплера (смещения спектра в ту или иную сторону в зависимости от скорости) и взаимное столкновение частиц, искажающее «чистую» картинку переходов. Но даже при таких неблагоприятных условиях удалось создать часы, точность которых была выше на порядок, чем у кварцевых.

Честь открытия «точного» металла — цезия — принадлежит немецким учёным Роберту Бунзену и Густаву Кирхгофу, обнаружившим его пары в водах Дюрхгеймского минерального источника в 1860 году. Металлический цезий впервые получил швед Карл Сеттерберг двадцатью годами позже. Природный изотоп — цезий-133 — отличается интересной особенностью: он плавится при температуре около 20°C, и это свойство сыграло важную роль.

«Тяжесть» и неторопливость атомов цезия, испаряющихся при столь невысокой температуре, в отличие от, например, цинка, плавящегося при 400°C, обеспечивали более чёткую картинку спектра с менее выраженным эффектом Доплера.

Цезий-133

Ещё один аргумент — сложность электронной оболочки. Атомы цезия могут находиться в 16‑ти возможных квантовомеханических состояниях, называемых «сверхтонкими магнитными подуровнями основного состояния». Такое богатство определяется разными магнитными моментами электронов оболочки с разным спином (от английского spin — вращаться, спин — одна из фундаментальных, наряду с массой и зарядом, характеристик элементарных частиц). Как следствие, атомы цезия легко возбуждаются для скачка между энергетическими уровнями. Даже слабый свет способен выбить из атомной структуры цезия поток электронов. Благодаря этому свойству цезий широко применяется в составе фотодетекторов. Льюис Эссен, сотрудник британской Национальной физической лаборатории, в 1953 году установил, что при переходе между сверхтонкими уровнями f3 и f4 излучаются фотоны с частотой 9192,631770±0,0000020 МГц.

Такое точное значение позволило Эссену вплотную заняться созданием эталона времени. Первая модель атомных часов (цезий-лучевая) представляла 5‑метровую «беговую дорожку», по которой атомы двигались со скоростью 250 м/с. Сортировка атомов с нужным энергетическим состоянием проводилась двумя магнитами, отклонявшими частицы в так называемую камеру Рэмси. В ней атомы «накачивались» микроволновым излучением до энергетического уровня f4. А дальше — ещё одна разделительная магнитная система и детектор, в котором «правильные» атомы цезия испускают фотоны.

Однако линии спектра излучения были слабыми и размытыми. Малая интенсивность линий определялась небольшим числом атомов в заданном состоянии, а «размытость» — влиянием всё того же эффекта Доплера (атомы двигались достаточно резво и имели значительный разброс скоростей). Со «слабостью» линий специалисты справились, применив остроумную схему обратной связи: частота излучения накачки подстраивалась к интенсивнос­ти излучения, и на требуемых 9,2 ГГц доля атомов с уровнем f4 достигала максимума. Проблема с размытием оказалась более крепким орешком, поддавшийся усилиям учёных гораздо позже.

Это единственные кварцевые часы, которые до сих пор работают в Гринвичской обсерватории. Они содержат линзообразный (AT-среза) кристалл и генерируют сигналы с частотой 2,5 МГц. Это один экземпляр из той пары часов, которые были закуплены в США в 1964 г., после того как они прошли испытания в Морской обсерватории США (Гринвичская обсерватория).

Роль часового механизма, переводящего абстрактные колебания (будь то маятник в часах или «беготня» электронов в атоме) в зримые цифры, играют уже знакомые нам кварцевые резонаторы. Сложные электронные схемы «обвязки» резонатора позволяют фиксировать совпадение (или кратность) частоты внешнего излучения с собственной частотой резонатора. В некотором смысле мы имеем дело с «радиоприёмником», который настраивается на определённую частоту, зная которую несложно «отсчитать» нужное количество тактов (частота и период колебаний обратно пропорциональны друг другу).

После калибровки, на которую ушло почти 4 года, устройство Луи Эссена получило наименование NBS-1 и достигло точности в 1 секунду за тысячу лет! Этот успех заставил Международный Комитет мер и весов в 1967 году перейти на определение секунды как промежутка равного 9192631770 периодам излучения 133‑го изотопа цезия, содержащего в ядре 55 протонов и 78 нейтронов, соответствующего переходу между сверхтонкими состояниями f4 и f3. Такой шаг означал окончательный отказ от астрономических методов определения секунды (согласно предыдущему стандарту 1954 года, она равна 1/31556925,9747‑й доле 1900‑го года).

Справиться с размытостью спектральных линий помог лазерный «фонтан», предложенный Джеролдом Закариосом. Цезиевое «облачко» удерживается в ловушке, образованной световым давлением лучей шести ортогональных лазеров. Оно может двигаться только по вертикали на манер поршня. Параллельно происходит и «накачка» атомов до нужного уровня, так что необходимость в магнитной сепарации отпадает. Вертикальные лазеры отвечают за медленный дрейф возбуждённых атомов вверх (вот он, фонтан), сквозь кольцевую детекторную камеру. Дальше атомы падают вниз, снова проходя через детектор.

Впервые цезиевый «фонтан» был продемонс­трирован в Стэнфордском университете в 1989 году. Специалисты сразу увидели огромное преимущество: доплеровское «размытие» практически исчезло, скорость атомов была столь мала, что ею можно пренебречь — неопределённость частоты не превышала 10 Гц! Кроме того, одни и те же атомы выдавали 2 кванта, проходя через детекторную камеру два раза, то есть выросла стабильность измерения. Новые цезиевые часы вступили в строй в 1999 году, сходу на порядок превысив стандарт точности США (секундная ошибка за 2,7 миллиона лет).

«Фонтанная» технология стала на некоторое время доминирующей в создании суперхронометров. Но сегодня путь к абсолютной точности лежит в иной плоскости и связан он уже не с излучением, а с квантовыми эффектами.

В 2010 году физики NIST (National Institute of Standards and Technology — Национальный институт стандартов и технологий, США) разработали квантово-логические часы (Quantum Logic Clock), в которых рабочими телами служат не сгустки паров цезия или стронция, а дублеты ртути (в следующих версиях — алюминия и стронция), удерживаемые в электромагнитных ионных ловушках на расстоянии несколько микрон друг от друга. В них генератором колебаний является не излучение, а периодическое изменение квантовых состояний паров атомов, инициируемое лазерным светом ультрафиолетового диапазона. «Рабочая» час­тота таких часов на пять порядков превышает общепринятый цезиевый стандарт, а теоретическая точность может достигать 1 секунды за… 15 миллиардов лет! Если, конечно, это будет кому-то ещё надо.