Поговорим об атомных часах. Но начнем не с них, а с солдат почетного караула. У них обычно сложная и красивая форма, и лично я бы наверное не смог бы все правильно надеть с первого раза. Но вы можете себе представить, чтобы у солдата почетного караула что-то было криво надето, не так застегнуто или не по уставу затянуто? Вряд ли, правда? А какова вероятность, что солдат пришел на пост без штанов? Ну, забыл, бывает.
Я полагаю, что вы со мною согласитесь, что не бывает. И даже если допустить такое, то есть начальство, сослуживцы и старшие по званию, которые укажут досадную оплошность. Верно?
А если вы увидели солдата без штанов, то можно обоснованно предположить, что вы чего-то не понимаете. Например, это шотландец. Или римлянин древний, тоже бывает.
Вот. Это я к разговорам об атомных фонтанах. Есть такая технология, которую мы сейчас обсудим. Вы можете легко найти в интернете материалы, из которых можно узнать, что атомы падают под действием силы тяжести и бла-бла-бла получается сказочная точность часов. И тут же автор пишет, что часы такие в космосе дали миру Глонасс и GPS.
Популяризатор может такое написать, ему можно. Как можно в отпуске или там на пенсии и без штанов ходить при случае. Но ученый, который атомными часами занимается, такого написать не может. А если даже допустить невозможное, то есть начальство, коллеги, рецензенты, конкуренты, дилетанты, любители, представители финансирующих организаций и органы власти.
К тому же если часы нуждаются в гравитации, чтобы ходить точно, то в космосе они работать вообще не будут. А они работают. Это логика, а с логикой отрицатели знакомы так же, как любитель фильма про мушкетеров - с боевым фехтованием.
Единственный правильный вывод из кажущегося противоречия между "атомным фонтаном" и невесомостью в том, что ты чего-то недопонимаешь.
Но я объясню. Итак, атомные часы основаны на свойстве атомов излучать кванты строго определенной частоты после возбуждения (поглощения кванта какой-то другой частоты). То есть возбуждать можно чем угодно, а вот получать будем строго одну и ту же частоту.
Как к этому всему приспособить стрелки и отмерять время - я не знаю, если честно. Да это и не так важно. Важно, что мы имеем стандарт частоты (так атомные часы официально и называются) и можем с его помощью отмерять время.
Идея уже старая. Атомы цезия (рубидия, водорода) или молекулы (аммиака) позволяют сделать часы на их основе.
Но всегда в таких прецизионных проектах проблема - борьба с шумами и погрешностями. Атомы движутся (тепловое движение) и это наводит помехи. Чтобы повысить точность, надо охладить газ почти до абсолютного нуля. Но в вакууме атомы просто осядут на пол камеры, а они должны подвергнуться облучению, да еще и два раза: один раз возбудиться, а другой раз - для снятия показаний.
И время между этими двумя облучениями должно быть как можно больше, от этого зависит точность часов. Дело в том, что излучают атомы квант не сразу, а с задержкой, которая распределена экспоненциально. В среднем через заданное время они излучат, но кто-то раньше, а кто-то позже, и чем больше мы ждем, тем больше атомов это сделают.
Вот и возникла мысль подбрасывать атомы вверх так, чтобы они пролетели зону облучения дважды: сначала вверх, а потом вниз. При этом можно добиться малых скоростей. Правда, придется торговаться: чем больше задержка, тем выше и скорость, а нам надо и скорость поменьше, а задержку побольше.
Пример. Иванушка прыгает на коне и целует принцессу на балконе. Он может пролететь мимо принцессы дважды: сначала вверх, потом вниз. Можно пролететь всего на несколько сантиметров вверх, и тогда скорость будет совсем небольшой, а время на соприкосновение губ будет.
Это и есть атомный фонтан.
Нужна ему гравитация? Несомненно. Но как мы видим из изложения, это борьба с гравитацией. Не будь ее, у Иванушки бы не было и проблем: какая проблема целоваться с принцессой на МКС?
Вот еще пример. Подъемная сила воздушного шара равна разности масс шара и воздуха того же объема, умноженной на ускорение свободного падения g. Можно ли сказать, что гравитация необходима шару? Ну, формально да, без g не ощутить радости стремительного подъема. Но с другой стороны, при нулевом g нет и проблем взлететь: шар-то зачем?
Так и в атомных стандартах частоты. Есть устройства без фонтанов, точность у них ниже. Есть с фонтанами, их точность впечатляет. В последнее время появились фотонные часы с совсем уж сказочной точностью.
Кстати, идея фонтана возникла где-то в пятидесятые, но воплотить ее смогли (если не путаю!) только в восьмидесятые. А первый спутник GPS был запущен в феврале 1978. То есть там были (по-видимому) не фонтанные часы.
В космосе же нет проблем с гравитацией и нет необходимости в фонтанах вообще. Запущенное облачко атомов движется с любой, сколь угодно малой скоростью, и пролетает зоны первичного и вторичного облучения.
Микрогравитация, так это называется, позволяет увеличить точность атомных стандартов частоты.
Вот и всё.
Сейчас я процитирую ряд работ, чтобы не быть голословным. А пока предупрежу вопрос: а вдруг поведение атомов зависит от гравитации?
Ну, нет. Излучает не атом даже, а электрон, и он, извините, плевать хотел на гравитацию. На него воздействуют силы на порядки большие. Излучение есть квантовый процесс, принципиально случайный, и если на вероятности эти заметно влияла бы гравитация, мы бы уже знали об этом.
Причем, как я уже объяснял, точечная частица может "чувствовать" только ускорение свободного падения, а релятивистское замедление времени обеспечивает потенциал. А это вещи мало связанные: потенциал может быть и большой, и маленький при одном и том же g, и наоборот. Устроить очень большие ускорения несложно и такие эксперименты были. Не с часами, но с мюонами в ускорителях. И всё идеально сходится с теорией относительности.
А ведь если бы гравитация влияла на атомные процессы, то согласия бы не было!
А теперь послушаем понимающих людей. Которые просто не могут забыть надеть штаны, направляясь стоять в почетном карауле, который и есть их служба.
PHARAO — это цезиевые часы на основе охлаждаемых лазером атомов. Концепция очень похожа на наземные атомные фонтаны, но с большим отличием: PHARAO будет работать в условиях микрогравитации. Атомы, запущенные в свободный полет по трубке, пересекают резонатор, где дважды взаимодействуют с микроволновым полем, настроенным на переход между двумя сверхтонкими уровнями основного цезия. В условиях микрогравитации скорость атомов по баллистическим траекториям постоянна и может непрерывно изменяться почти на два порядка (от 5 до 500 см/с)... часы собраны и испытаны. На земле из-за гравитации PHARAO может работать только как фонтанные часы, когда атомы летят вертикально по трубке. Атомы цезия погружены в оптическую патоку, охлаждены до нескольких мкК, опрошены резонансным микроволновым полем и регистрируются по лазерно-индуцированному флуоресцентному излучению. Работа в условиях микрогравитации более длительное время взаимодействия ПОЗВОЛИТ измерять линии в 10-50 раз уже...
L Cacciapuoti and C Salomon: Atomic clock ensemble in space. 2011 J. Phys.: Conf. Ser. 327 012049
Вот еще:
Представлены разработка и испытания холодных атомных часов, работающих в космосе. В условиях микрогравитации атомы охлаждаются, ловятся, запускаются и, наконец, детектируются исследованием с помощью микроволнового поля...
Фонтанные часы в настоящее время являются наиболее точными атомными часами и широко используются в качестве основного эталона частоты. В типичных фонтанных часах атомы сначала охлаждаются лазером, а затем запускаются вверх. За счет гравитации запущенные холодные атомы падают после достижения верхней точки. Движение холодных атомов вверх и вниз приводит к двойному взаимодействию с микроволновым полем в полости. В космосе микрогравитация открывает НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ. В таких условиях запущенные холодные атомы движутся с постоянной скоростью, и таким образом, время опроса определяется скоростью запуска, и, таким образом, ширина Рэмси может быть дополнительно уменьшена при разумном размере устройства.
Liang Liu et al: Tests of Cold Atom Clock in Orbit. 2017
Вот более старая работа:
... Такие часы используются на Земле в самых разных научных областях... включая определение положения объектов (GPS)... Несколько десятков часов постоянно работают на спутниках GPS на орбите 20 тыс км над Землей...
Такие низкие скорости позволяют добиться времени взаимодействия между атомами и электромагнитным полем порядка одной секунды на Земле - посредством фонтанной геометрии.
Ширина резонансной линии цезия обратно пропорциональна этому времени, что позволяет повысить точность на два порядка, по сравнению с обычными атомным часами при 400К. Ожидается, что в условиях низкой гравитации получится УЛУЧШИТЬ точность еще в десять раз причем в более простом и компактном устройстве.
Laurent P. et al. Cesium fountains and micro-gravity clocks //Proc. of the 25th Moriond Conf. on Dark Matter in Cosmology, Clocks and Tests of Fundamental Laws. – 1995.
Далее в этой статье излагается то, что я изложил вам выше.
К вашим услугам.