В 1967 году исследователи со всего мира собрались, чтобы решить давний научный вопрос - сколько времени составляет секунда?
Поначалу это может показаться очевидным. Секунда - это тиканье часов, колебание маятника, время, необходимое для того, чтобы считать до единицы.
Но насколько точны эти измерения? На чем основана эта продолжительность? И как определить эту фундаментальную единицу времени с научной точки зрения?
До "изобретения" секунды
На протяжении большей части истории человечества древние цивилизации измеряли время с помощью своих уникальных календарей.
Фактически, секунда, какой мы её знаем, не была введена до конца 15го века, пока григорианский календарь не начал распространяться по земному шару вместе с британским колониализмом. По григорианскому календарю день определяется как один оборот Земли вокруг своей оси. Как мы все знаем, каждый день можно разделить на 24 часа, каждый час - на 60 минут, а каждую минуту - на 60 секунд.
Однако, когда это было впервые определено, секунда была скорее математической идеей, чем полезной единицей времени, так как измерения дней и часов было вполне достаточно для большинства задач в пастырских общинах.
Только когда общество стало взаимосвязанным посредством быстро развивающейся сети железных дорог, городам потребовалось согласовать точное время.
Идеальная точность
К 1950-м годам многочисленные глобальные системы требовали точного учета каждой секунды с максимально возможной точностью. А что может быть точнее атомарного измерения?
Еще в 1955 году исследователи начали разрабатывать атомные часы, основанные на неизменных законах физики, чтобы заложить новую основу для хронометража.
Атом состоит из отрицательно заряженных электронов, вращающихся с постоянной частотой вокруг заряженного ядра.
Законы квантовой механики удерживают электроны на месте, но если вы подвергнете атом воздействию электромагнитного поля, такого как свет или радиоволны, вы можете слегка нарушить его ориентацию. А если вы ненадолго настроите электрон на нужную частоту, вы можете создать вибрацию, напоминающую тикающий маятник.
В отличие от обычных маятников, которые быстро теряют энергию, электроны могут колебаться веками. Чтобы сохранять последовательность и упростить измерение, исследователи испаряют атомы, переводя их в менее интерактивное и летучее состояние, что не замедляет чрезвычайно быстрое движение атома. Некоторые атомы могут колебаться более девяти миллиардов раз в секунду, давая атомным часам беспрецедентную точность для измерения времени.
А поскольку каждый атом определённого изотопа - идентичен, два исследователя, использующие один и тот же элемент и одну и ту же электромагнитную волну, могут произвести идеально согласованные измерения времени.
Выбор элемента
Но прежде чем хронометраж стал полностью атомным, учёные должны были договориться, какой атом будет лучше использовать. Об этом шла дискуссия в 1967 году на Тринадцатой Генеральной конференции Международного комитета мер и весов.
Периодическая таблица Менделеева состоит из 118 элементов, каждый из которых обладает своими уникальными свойствами. Искомое вещество должно было отвечать следующим четырём требованиям:
- Элемент должен долгоживущие и высокочастотные электронные колебания для точного и долговременного измерения.
- Иметь надежно измеряемый квантовый спин, то есть ориентацию оси, вокруг которой вращается электрон, чтобы было легко отслеживать его колебание.
- Простую структуру энергетических уровней (активных электронов мало, а их состояние легко идентифицировать).
- Его можно легко испарить.
Цезий-133 подходил по всем пунктам и уже был популярным элементом для исследования атомных часов, а к 1968 году некоторые цезиевые часы были даже доступны для приобретения кем угодно.
Оставалось только определить, сколько тиков атома цезия приходится на секунду. Члены конференции использовали самые точные астрономические измерения секунды, доступные на тот момент времени, начиная с количества дней в году и деления в меньшую сторону.
По сравнению со скоростью движения атома, результаты формально определяют одну секунду как ровно 9 192 631 770 тактов атома цезия-133.
Где используются
Сегодня атомные часы используются по всей Земле и за ее пределами.
От передатчиков радиосигналов до спутников для систем глобального позиционирования - эти устройства были синхронизированы, чтобы помочь нам поддерживать глобально согласованное время с непревзойденной точностью.
Также с помощью атомных часов и их точности в 1955ом была доказана специальная теория относительности Эйнштейна. (Ссылка на статью о нём).
Подписывайтесь на каналы и соц. сети, чтобы знать больше!
