Сколько длится секунда?

В 1967 году исследователи со всего мира собрались, чтобы ответить на давний научный вопрос- сколько длится секунда? Поначалу это может показаться очевидным. Секунда-это тиканье часов, качание маятника, время, необходимое для того, чтобы сосчитать до единицы. Но насколько точны эти измерения? На чем основана эта длина? И как мы можем научно определить эту фундаментальную единицу времени?

На протяжении большей части человеческой истории древние цивилизации измеряли время с помощью уникальных календарей, которые отслеживали постоянное движение ночного неба. На самом деле, второй календарь, как известно, был введен только в конце 1500-х годов, когда григорианский календарь начал распространяться по всему миру наряду с британским колониализмом. Григорианский календарь определял день как один оборот Земли вокруг своей оси. Каждый день можно разделить на 24 часа, каждый час - на 60 минут, а каждую минуту - на 60 секунд. Однако, когда с основными делениями определились, второй был скорее математической идеей, чем полезной единицей времени. Измерения дней и часов было достаточно для выполнения большинства задач в пастырских общинах. Только когда общество стало взаимосвязано с помощью быстро движущихся железных дорог, городам понадобилось договориться о точном хронометраже. К 1950-ым годам многочисленные глобальные системы требовали точного учета каждой секунды с максимально возможной точностью. А что может быть точнее, чем атомный масштаб?

Уже в 1955 году исследователи начали разрабатывать атомные часы, которые опирались на неизменные законы физики, чтобы заложить новую основу для хронометража. Атом состоит из отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг положительно заряженного ядра с постоянной частотой. Законы квантовой механики удерживают эти электроны на месте, но если вы подвергнете атом воздействию электромагнитного поля, такого как свет или радиоволны, вы можете нарушить ориентацию электрона. И, если ненадолго настроить электрон на нужную частоту, вы сможете создать вибрацию, напоминающую тикающий маятник.

В отличие от обычных маятников, которые быстро теряют энергию, электроны могут тикать веками. Чтобы сохранить согласованность и упростить измерение тиканья, исследователи испаряют атомы, переводя их в менее интерактивное и летучее состояние. Но этот процесс не замедляет удивительно быстрое тиканье атома. Некоторые атомы могут колебаться более девяти миллиардов раз в секунду, что дает атомным часам беспрецедентное разрешение для измерения времени. И поскольку каждый атом данного элементарного изотопа идентичен, два исследователя, использующие один и тот же элемент и одну и ту же электромагнитную волну, должны произвести абсолютно идентичные часы.

Но прежде чем хронометраж сможет стать полностью атомным, страны должны были решить, какой атом будет работать лучше всего. Это обсуждалось в 1967 году на Тринадцатой Генеральной конференции Международного комитета мер и весов. В периодической таблице 118 элементов, каждый из которых обладает своими уникальными свойствами. Для выполнения этой задачи исследователи обсудили несколько пунктов.
Элемент должен был обладать достаточно продолжительными высокочастотными электронными колебаниями для точного долгосрочного хронометража. Чтобы легко отслеживать это колебание, ему также необходимо было иметь надежно измеряемый квантовый спин, что означает ориентацию оси, вокруг которой вращается электрон, а также простую структуру энергетического уровня, что означает, что активных электронов мало и их состояние легко идентифицировать. И, наконец, его нужно было легко испарить.

Атом - победитель?
Цезий-133. Цезий уже был популярным элементом для исследований атомных часов, и к 1968 году некоторые цезиевые часы стали даже коммерчески доступными. Все, что оставалось - это определить, сколько тиков атома цезия приходится на секунду. На конференции использовалось самое точное астрономическое измерение секунды, доступное в то время, начиная с количества дней в году и деления на меньшие сегменты. По сравнению со скоростью тикания атома, результаты формально определили одну секунду как ровно 9 192 631 770 тиков атома цезия-133.

Сегодня атомные часы используются по всей Земле и за ее пределами. От передатчиков радиосигналов до спутников для глобальных систем позиционирования эти устройства были синхронизированы, чтобы помочь нам поддерживать согласованное во всем мире время с непревзойденной точностью.

По материалам статьи John Kitching

перевод