https://www.youtube.com/watch?v=djBleF7-tDE
лекции Хичкока были
The Hitchcock Lectures were endowed
предоставлены доктором Чарльзом М. Хичкоком
by Dr. Charles M. Hitchcock
в 1885 году для учреждения профессорской должности в Калифорнийском университете в Беркли.
in 1885 to institute a professorship at UC Berkeley.
Лекции фонда Хичкока начались в
The Hitchcock foundation lectures began in
1909 году, позже были расширены
1909 and were later expanded,
и получили название «Лекции Чарльза М. и
and were titled the Charles M and
Марты Хичкок» в 1932 году.
Martha Hitchcock Lectures in 1932.
Thanks to a generous gift from Dr. Hitchcock's daughter,
Lillie Hitchcock Coit,
эта зона.
and of course Coit is a very famous name in this area.
Биохимик Лайнус Полинг,
Biochemist Linus Pauling,
астрофизик Стивен Хокинг и океанограф
astrophysicists Stephen Hawking and oceanographers
Сильвия Эрл входят в
Sylvia Earle are among
число многих выдающихся ученых,
the many distinguished scholars who have
ставших профессорами Хичкока
served as Hitchcock professors in
за более чем столетие после начала лекций.
the more than a century since the lectures began.
Я очень рад
I'm very pleased to now be able to
представить вам доктора Уильяма Филлипса,
present to you Dr. William Phillips,
нашего лектора Хичкока в этом семестре.
our Hitchcock lecturer for this semester.
Доктор Филлипс получил степень бакалавра по
Dr. Phillips received a BS in
физике в колледже Джуниата в 1970 году
Physics from Juniata college in 1970,
и докторскую степень в
and his PhD from
Массачусетском технологическом институте в 1976 году.
Massachusetts Institute of Technology in 1976.
После двух лет работы постдоком Хаима Вейцмана в Массачусетском технологическом институте
After two years as a Chaim Weizmann post-doc at MIT,
он присоединился к Национальному бюро стандартов для работы над
he joined the National Bureau of Standards to work on
прецизионной электротехникой. измерения
precision electrical measurements
и фундаментальные константы.
and fundamental constants.
Там он инициировал новую исследовательскую программу
There he initiated a new research program
по охлаждению атомарных газов лазерным светом.
to cool atomic gases with laser light.
Он основал Национальный
He founded the National
институт науки и технологий,
Institute of Science and Technology,
который, конечно же, является
which of course is the successor
преемником Национального бюро стандартов, группы
of the National Bureau of Standards,
лазерного охлаждения и захвата, а
laser cooling and trapping group and
позже был одним из
later was a founding member of
основателей Объединенного квантового института,
the Joint Quantum Institute,
который является совместной исследовательской
which is a cooperative research organization of
организацией Национального института. стандартов и технологий
the National Institute of Standards and Technology
в Мэрилендском университете.
in the University of Maryland.
Сейчас этот институт
Now this institute is devoted to
занимается изучением явления квантовой когерентности.
the study of quantum coherent phenomenon.
Его исследовательская группа отвечала за
His research group has been responsible for
разработку некоторых основных методов,
developing some of the main techniques
используемых в настоящее время для лазерного охлаждения и
now used for laser cooling and
экспериментов с холодными атомами в лабораториях по всему миру.
cold atom experiments in laboratories around the world.
Доктор Филлипс является
Dr. Phillips is a fellow of
членом Американского физического общества
the American Physical Society,
, Американской ассоциации развития науки
the American Association for the Advancement of Science,
и Американской академии искусств и наук.
and the American Academy of Arts and Science.
Он также является научным сотрудником,
He's also a fellow,
почетным членом Оптического общества
an honorary member of the Optical Society,
, членом Национальной академии наук
a member of the National Academy of Sciences
и Папской академии наук,
and the Pontifical Academy of Sciences,
а также членом-
and he is a corresponding member
корреспондентом Мексиканской академии наук.
of the Mexican Academy of Sciences.
В 1997 году доктор Филлипс получил Нобелевскую премию по физике
In 1997, Dr. Phillips shared the Nobel Prize in physics
за разработку методов
for the development of methods to
охлаждения и захвата атомов с помощью лазерного излучения.
cool and trap atoms with laser light.
Без промедления представляю вам
Without further delay, I present to you
доктора Уильяма Филлипса и его презентацию «
Dr. William Phillips and his presentation,
Время, Эйнштейн и самые крутые вещи во Вселенной».
Time, Einstein and the Coolest Stuff in the Universe.
Большое спасибо, что присоединились к нам, доктор Филлипс.
Thank you very much for joining us, Dr. Phillips.
Большое спасибо за это очень любезное знакомство.
Thank you very much for that very kind introduction.
Ну, как вы слышали,
Well, as you've heard,
я из места под названием Объединенный квантовый институт,
I'm from a place called the Joint Quantum Institute,
который объединяет Мэрилендский университет
which is joined between the University of Maryland
и Национальный институт стандартов и технологий.
and the National Institute of Standards and Technology.
В NIST я являюсь членом
At NIST I'm a member of
группы Laser Cooling and Trapping Group.
the Laser Cooling and Trapping Group.
Гретхен Кэмпбелл теперь лидер этой группы.
Gretchen Campbell is now the leader of that group.
Другие члены, Пол Летт,
The other members, Paul Lett,
Трей Порто, Ян Спилман, Эйте Тисинга,
Trey Porto, Ian Spielman, Eite Tiesinga,
Чарльз Кларк и Николь Юнгер Халперн,
Charles Clarke and Nicole Yunger Halpern are
являются постоянными членами, с которыми для
the permanent members with whom it's
меня большое удовольствие и честь работать на ежедневной основе.
my great pleasure and honor to work on a daily basis.
Работа, о которой я собираюсь вам рассказать, на протяжении многих лет
The work that I'm going to be telling you about has been
финансировалась несколькими людьми, в
funded by a number of people over the years,
основном NIST, но Управление военно-морских исследований
mainly NIST but the Office of Naval Research has
предоставило решающее финансирование на протяжении
provided crucial funding throughout
всей разработки этой работы.
the development of this work.
В Объединенном квантовом институте
At the Joint Quantum Institute,
у нас есть передовой физический
we've had a physics frontier center
центр Национального научного фонда.
from the National Science Foundation.
Мы очень благодарны им.
We're very grateful to them.
В
Now one of the things I want to emphasize
самом начале я хочу подчеркнуть одну вещь:
right at the start is that
эта лекция — лишь
this lecture is only part of
часть истории о лазерном охлаждении и ультрахолодных атомах.
the story of laser cooling and ultracold atoms.
Как вы слышали, я разделил Нобелевскую премию в 1997 году,
As you've heard, I shared the Nobel Prize in 1997,
и люди, с которыми я разделил ее, были
and the people I shared it with where
Стивеном Чу и Клодом Коэн-Таннуджи,
Steven Chu and Claude Cohen-Tannoudji
и им есть что рассказать об этой истории.
and they have much more of that story to tell.
Дело в том, что по всему миру есть исследовательские группы
The fact is that there are research groups
, занимающиеся
all over the world who are pursuing
тем, что я на самом деле
what I really considered to be
считал приключением в сверххолодных атомах,
an adventure in ultracold atoms,
и некоторые из величайших работ
and some of the greatest work
ведутся прямо здесь, в Беркли.
is going on right here at Berkeley.
Эхуд Альтман и Норман Яо занимаются
Ehud Altman and Norman Yao are doing
теорией ультрахолодных атомов.
theory relating to ultracold atoms.
Хартмут Хаффнер, и я так
Hartmut Haffner, and I'm so
рад сообщить, что Хартмут
pleased to say that Hartmut is
является выпускником нашей группы лазерного охлаждения
an alumnus of our Laser Cooling
и треппинга в NIST.
and Trapping Group, at NIST.
Дэн Стэмпер-Керн, Хольгер Мюллер и
Dan Stamper-Kurn, Holger Muller and
Хольгер ранее работали со Стивеном Чу.
Holger is formerly worked with Steven Chu.
Итак, вы видите, что у нас действительно
So you see we really have
есть сообщество, занимающееся этим бизнесом холодного атома.
a community here in this cold atom business.
Время, Эйнштейн, самое холодное вещество и Вселенная.
Time, Einstein and the Coldest Stuff and the Universe.
Какое отношение время имеет к Эйнштейну?
What does time have to do with Einstein?
Time поместил Эйнштейна на обложку
Time put Einstein on the cover of
своего журнала как другого человека века.
its magazine as the other person of the century.
Я действительно думаю, что это был отличный выбор, потому что
I really think that was a great choice because
Эйнштейн сделал так много вещей, которые
Einstein has done so many things that have
действительно изменили то, как мы думаем
really changed the way we think about
о мире, и нашу жизнь.
the world and have changed our lives.
Все это,
All of these things,
броуновское движение
Brownian motion,
, понимание вынужденного излучения дали нам лазеры.
the understanding of stimulated emission gave us lasers.
Где бы мы были без лазеров?
Where would we be without lasers?
Без общей теории относительности GPS не работала бы.
Without general relativity, GPS wouldn't work.
Фотоэлектрический эффект положил начало
The photoelectric effect was the beginning of
квантовой механике, которая доминирует в нашей жизни.
quantum mechanics which dominates our lives.
Вероятно, больше всего Эйнштейн
Probably the thing that Einstein is best
известен своей специальной теорией относительности.
known for is his theory of special relativity.
С помощью этой теории он изменил то, как
With that theory, he changed the way
мы думаем о самом пространстве и времени.
we think about space and time itself.
До Эйнштейна люди думали, что пространство и время
Before Einstein, people thought that space and time were
подобны неподвижной сцене, на которой
like a fixed stage on which
разыгрываются события во Вселенной .
the events of the universe played themselves out.
Эйнштейн учил нас тому,
What Einstein taught us was
что пространство и время на самом деле являются частью действия,
that space and time are actually part of the action,
что сцена не фиксирована.
that the stage is not fixed.
Это зависит от того, кто на это смотрит и что происходит,
It depends on who's looking at it and what's going on,
какова природа этой стадии.
what the nature of that stage is.
Частью этого понимания
Part of that understanding
является то, что называется относительностью времени,
is what is called the relativity of time,
тот факт, что время меняется в
the fact that time changes
зависимости от того, кто на него смотрит.
depending on who's looking at it.
Эйнштейн пришел к пониманию
Einstein came to his understanding about
относительности времени
the relativity of time in
отчасти благодаря
part by asking himself a question,
тому, что задал себе вопрос, вопрос, который, я думаю, люди задавали
a question that I think people have asked
себе с самого начала, по крайней мере, человечества.
themselves since the beginning of at least human time.
То есть что такое время?
That is, what is time?
Что это за странная вещь, которая
What is this strange thing that is
всегда присутствует, но скоро станет прошлым?
always the present but will soon become the past?
Почему завтра всегда есть день?
Why is it that tomorrow is always a day away?
Ответ, который Эйнштейн дал на
The answer that Einstein gave to
этот вопрос, может показаться вам поверхностным.
that question might seem superficial to you.
Эйнштейн сказал, что
What Einstein said was,
время — это то, что измеряют часы.
time is what a clock measures.
Хотя это может показаться поверхностным
While that may seem superficial,
, серьезно приняв эту идею,
by taking that idea seriously,
Эйнштейн пришел к глубокому
Einstein came to his profound understanding
пониманию природы времени.
about the nature of time.
Если время — это то, что измеряют часы,
If time is what a clock measures,
то вы можете спросить,
then you may ask,
что такое часы?
what is a clock?
Что ж, для меня часы — это что-то, что тикает,
Well, for me, a clock is something that ticks,
что-то, что дает вам серию событий
something that gives you a series of events,
, периодическую последовательность событий.
a periodic train of events.
Первые часы — это вращающаяся земля.
The first clock is the rotating earth.
Древние люди не знали, что Земля вращается,
Now, ancient people didn't know that the Earth rotated,
но они знали, что солнце
but they knew that the sun
всходит и заходит каждый день и что набор
rose and set every day and that set of
периодических событий позволяет им отсчитывать дни.
periodic events allow them to tick off days.
Когда они стали более изощренными,
When they became more sophisticated,
они стали делать солнечные часы
they did things like make sundials
и измерять часы.
and they could measure hours.
Гораздо позже рассказывают , что Галилей
Much later, the story is that Galileo
сидел в соборе в Пизе и
was sitting in the cathedral in Pisa,
смотрел, как люстра
watching the chandelier in
в соборе качается взад-вперед.
the cathedral swing back and forth.
Очевидно, богослужение было не очень
Apparently the worship service wasn't very
интересным, и у него были дела поважнее.
interesting and he had better things to do.
Глядя на собор и
Looking at the cathedral and
измеряя его по собственному пульсу,
timing it with his own pulse,
он обнаружил, что
he discovered that the period of
период маятника не зависит от
the pendulum was independent of
того, как далеко маятник качается.
how far the pendulum was swinging.
Чего я не понимаю, так это того, как
What I don't understand is,
с таким захватывающим открытием
with such an exciting discovery,
его пульс оставался постоянным?
how did his pulse rate stay constant?
Но, тем не менее, он понял это,
But nevertheless, he figured this out,
и вскоре после
and it wasn't long after
этого Христиан Гюйгенс решил,
that Christiaan Huygens decided
что из этого можно сделать часы.
that this could make a clock.
Такие высокие часы,
Tall clocks like this,
эти прекрасные дедушкины часы
this beautiful grandfather's clock
использовали эту
used this feature of
особенность маятника как очень хороший тикер.
the pendulum as being a very good ticker.
Возможно, некоторые из вас
There may be some of you who
все еще носят наручные часы.
are still wearing wristwatches.
Внутри этих наручных часов
Inside that wristwatch is
находится крошечный кристалл кварца в форме камертона,
a tiny quartz crystal shaped like a tuning fork,
и вибрация
and the vibration of
этого кристалла кварца является тикером для этих кварцевых часов.
that quartz crystal is the ticker for this quartz watch.
Что ж, некоторые из этих часов -
Well, some of these clocks are
чудеса инженерной мысли и искусства.
marvels of engineering and of art.
Эти высокие часы являются одним из примеров.
This tall clock is one example.
Другие часы, одни из моих любимых,
Another clock, one of my favorites,
— это часы, образно названные H4, потому что это была
is this clock imaginatively called H4 because it was
четвертая попытка Джона Харрисона сделать часы, которые могли бы
John Harrison's fourth attempt to make a clock that could
выиграть знаменитый приз в 20 000 фунтов
win the famous 20,000-pound
долготы в 18 веке.
longitude prize in the 18th century.
Британское правительство предложило этот приз в
The British government offered this prize,
размере 20 000 фунтов стерлингов, что по тем временам было целым состоянием.
£20,000, which was a fortune at that time.
Причина, по которой они предложили это, заключалась в том, что они теряли
The reason they offered it was because they were losing
корабли в море, потому
ships at sea because
что корабли не знали, где они находятся.
the ships did not know where they were.
Определить их широту было легко,
It was easy to determine their latitude,
но определить их долготу было очень сложно.
but determining their longitude was really difficult.
В 1707 году
In the year 1707,
у
a famous shipwreck occurred off
островов Силли в Англии произошло знаменитое кораблекрушение, в результате которого затонуло
the Scilly Islands in England,
три корабля.
and three ships went down.
Погибло более 1600 моряков,
Over 1,600 sailors were lost,
включая адмирала, который командовал своим флотом,
including the admiral who was in command with his fleet,
и это очень обеспокоило британское адмиралтейство.
and that really got the British admiralty worried.
Они решили, что им действительно нужно решить
They decided that they really needed to solve
эту проблему долготы,
this problem of longitude,
и убедили британское правительство
and they convinced the British government to
предложить приз в размере 20 000 фунтов стерлингов.
offer a prize of £20,000.
Приз достался тому , кто смог определить
The prize was for somebody who could figure out what
долготу с точностью до половины градуса,
the longitude was to within half a degree,
что составляет около 30 морских миль.
which is about 30 nautical miles.
Для этого требовалось знать, сколько времени до двух минут.
That required knowing what time it was to two minutes.
Теперь, почему это нужно время?
Now, why does it need time?
Ну подумай об этом, вы все в Калифорнии,
Well, think about this, you all are in California,
и что это?
and what is it?
Сейчас, я не знаю,
It's, I don't know,
4:30 или около того в Калифорнии,
4:30 or something like that in California now,
а здесь, где я нахожусь, 7:30.
and it's 7:30 here where I am.
Если бы мы могли сообщать друг другу, который сейчас час
If we could communicate to each other what time it
, и отсчитывали время по Солнцу,
was and we were keeping time by the Sun,
мы бы точно знали, какова разница
we would know exactly what the difference
в нашей долготе.
in our longitude was.
Но в 18 веке
But in the 18th century,
они не могли так общаться.
they couldn't communicate like that.
Единственный способ
The only way you could know
узнать разницу во времени между
the difference in the time between
двумя разными местами — носить с собой часы,
two different places was to carry a clock with you
которые показывают время, скажем, по Гринвичу.
that preserved the time in, say, Greenwich.
Навигатор мог синхронизировать свои часы с
A navigator could synchronize their clock to
временем в Гринвиче,
what the time was in Greenwich
а затем определить, какое
and then determine what the
местное время было в любом другом месте,
local time was any place else,
и, глядя на разницу
and looking at the difference between
между временем по Гринвичу
the Greenwich time and
и местным временем, определить их долготу.
the local time, determine their longitude.
Это была идея. Проблема
That was the idea. The trouble
заключалась в том, что найти часы , которые работали бы
was getting a clock that would work on
на парусном корабле 18-го века, было
an 18th-century sailing ship was
непростой задачей за 20 000 фунтов стерлингов.
not an easy task £20,000.
Такие известные люди, как Ньютон, думали, что
People as famous as Newton thought that
механические часы,
you'd never make a mechanical clock
которые бы справились со своей задачей, никогда не получится сделать.
that would do the job.
Они должны быть чем-то, что вы делаете
They would have to be something you do
, наблюдая за небесами.
by observing the heavens.
Но на самом деле этот парень,
But in fact, this guy,
Джон Харрисон, думал, что может сделать часы,
John Harrison, thought he could make a clock,
и всю свою карьеру он
and he spent his entire career
пытался сделать часы, которые бы выполняли эту работу.
trying to make a clock that would do the job.
Вы должны прочитать эту книгу.
You've got to read this book.
Это книга об этом чудесном приключении.
This is a book about this wonderful adventure.
Научно- техническое
The scientific and technology adventure
приключение по созданию часов, способных на это.
of trying to make a clock that can do this.
Очень рекомендую эту книгу «Долгота».
I highly recommend this book, Longitude.
Но Харрисон в ходе испытаний в 1762 и 1764 годах
But Harrison, in trials in 1762 and 1764,
доказал, что это устройство,
proved that this device,
этот хронометр H4,
this H4 chronometer,
может делать то, что необходимо для такой хорошей навигации.
could do what was needed to navigate that well.
Плавание длилось 47 дней,
A voyage 47 days,
эти часы показывали 39 секунд.
this clock was good to 39 seconds.
Он легко выиграл приз за долготу в размере 20 000 фунтов стерлингов.
It easily won the longitude prize, £20,000.
Что ж, британское правительство медлило с выдачей его денег.
Well, the British government delayed giving his money.
Это звучит знакомо?
Does that sound familiar?
В конце концов ему пришлось обратиться
He finally had to appeal to
к королю, чтобы получить все свои деньги,
the king in order to get all of his money,
но в конце концов он получил все свои деньги.
but he got all of his money finally.
Капитан Крюк, один из величайших исследователей в истории,
Captain Hook, one of the greatest explorers in history,
получил один из первых экземпляров
got one of the first copies of
хронометра Харрисона, и он ему очень понравился.
Harrison's chronometer, and he loved it.
Он использовал его, чтобы ориентироваться в южной части Тихого океана.
He used it to navigate his way around the South Pacific.
Это было потрясающе, удивительные часы.
This was amazing, an amazing clock.
Теперь подумайте об этом,
Now, think about this, today,
сегодня приличные кварцевые часы лучше, чем часы Харрисона.
a decent quartz watch is better than Harrison's clock.
Мы видели, что на протяжении всей истории
What we've seen is that throughout history,
часы были замечательны и становились лучше,
clocks are wonderful and they've been getting better,
но все эти часы
but all of these clocks
так или иначе несовершенны.
are imperfect in one way or another.
Длина маятника может растягиваться или уменьшаться,
The length of a pendulum may stretch or shrink,
и это меняет скорость его тиканья.
and that will change its ticking rate.
Каждый кристалл кварца
Every quartz crystal in
в кварцевых часах немного отличается,
a quartz watch is a little different,
и он может меняться в зависимости от того, носите ли вы его
and it may change depending upon whether you wear it on
на запястье или кладете на тумбочку.
your wrist or whether you put it on the bedside table.
Даже вращение Земли непостоянно.
Even the rotation of the Earth is not constant.
Его замедляют приливы, на
It's slowed by the tides,
него влияют штормы и изменения океанских течений.
it's affected by storms and changes in ocean current.
Тот факт, что Земля не постоянна в
The fact that the Earth is not constant in
своем вращении, был доведен
its rotation was brought
до меня довольно драматическим образом.
home to me in a rather dramatic way.
Однажды, когда я посещал Военно-морскую обсерваторию США, военно-морской
One day when I was visiting the US Naval Observatory,
флот интересовался часами
the Navy has been interested in clocks
со времен Харрисона.
since the time of Harrison.
Флот финансировал меня, чтобы я сделал лучшие часы.
The Navy has funded me to make better clocks.
Поэтому я пошел к ним в гости, чтобы посмотреть, что
So I went to visit them to see what the
нового было в часах.
latest was in clocks.
Когда я шел со своим хозяином
As I was walking with my host down
по коридору в его лабораторию,
the hallway to his laboratory,
мы прошли мимо двери.
we passed by a door.
На двери было написано: «Директор вращения Земли».
On the door it was written, "Director of Earth rotation."
Я подумал, вау, это довольно ответственная работа.
I thought, wow, that's a pretty responsible job.
Но дело в том, что кто-то
But the point is that somebody
следит за этими вещами, потому что
keeps track of these things because
люди до сих пор ориентируются по звездам.
people still navigate using the stars.
Если вы это сделаете, вам нужно знать
If you do that, you need to know
эти подробности о вращении Земли,
these details about the rotation of the Earth,
и люди все еще отслеживают это,
and people still keep track of that
потому что Земля непостоянна.
because the Earth is not constant.
Ну, у нас есть все эти замечательные часы.
Well, we have all these wonderful clocks.
Вот один вид часов
Here's one kind of clock
, который лучше всех остальных,
that is better than all of them,
и это атомные часы.
and that's the atomic clock.
Атомы — лучшие тикеры.
Atoms are the best tickers.
Существуют определенные частоты, соответствующие
There are specific frequencies that correspond
разнице энергетических уровней в
to the difference in energy levels in
атомах, составляющих
atoms that constitute the ticking
тиканье этих атомов, находящихся в атомных часах.
of these atoms that are in atomic clocks.
Прелесть этого в том, что каждый атом
The beauty of this is that every atom of
того же вида
the same kind is
идентичен любому другому
identical to every other atom
атому того же вида во всей Вселенной.
of the same kind in the entire universe.
Насколько нам известно,
Every cesium 133 atom is identical, as far as we know,
каждый атом цезия-133 идентичен любому другому атому цезия-133 во Вселенной.
to every other cesium 133 atom in the universe.
Атомы цезия — это те, которые мы
Cesium atoms are the ones we
используем, чтобы определить, что мы подразумеваем под секундой.
use to define what we mean by a second.
Каждый кристалл кварца немного отличается.
Every quartz crystal is a little bit different.
Все механические часы, каждая
Every mechanical clock, every copy
копия часов Харрисона немного отличались друг от друга,
of Harrison's clock was a little different,
но все эти атомы одинаковы.
but these atoms are all the same.
Они очень мало подвержены влиянию окружающей среды.
They're very little affected by the environment.
Вот упрощенная версия
Here's the oversimplified version
того, как работают атомные часы.
of how an atomic clock works.
Представьте себе атом, атом цезия,
Imagine an atom here, a cesium atom,
и у него есть ядро и ядро, у не�
and it's got a nucleus and a core,
о есть валентный эл�
it's got a valence electron.
ктрон. Когда вы посылаете микроволны
When you send in microwaves at
с частотой около девяти гигагерц,
a frequency of about nine gigahertz,
если это правильная частота,
if it's just the right frequency,
это заставит электрон изменить направление вращения.
it'll make the electron flip its spin.
Это изменит энергетический уровень атома.
That'll change the energy level of the atom.
Но если частота не совсем правильная,
But if the frequency is not just right,
это не заставит электрон перевернуться.
it won't cause the electron to flip.
Основная идея атомных часов
The basic idea of an atomic clock
заключается в том, что вы светите в микроволнах,
is you shine in the microwaves,
настраиваете частоту до тех пор, пока она не
you tune the frequency until it's
заставит электрон изменить свой спин,
making the electron flip its spin,
и когда это просто правильная частота,
and when it's just the right frequency,
тогда это та частота по определению,
then this is that frequency by definition,
потому что мы используем это определение того, что
because we use that definition of what
эта частота должна определить, что мы подразумеваем под секундой.
this frequency is to define what we mean by a second.
Это девять миллиардов,
This is nine billion,
определенное количество миллионов циклов в секунду.
certain number of million cycles per second.
Это то, что мы используем, чтобы определить, что мы подразумеваем под секундой.
That's what we use to define what we mean by a second.
Теперь вы можете спросить, насколько хороши эти часы?
Now, you may ask how good are these clocks?
Мы знаем, какими хорошими были часы Харрисона.
We know how good Harrison's clock was.
Менее чем за 100 долларов
For less than $100,
вы можете купить кварцевые часы с
you can buy a quartz clock that's
точностью до миллионной,
good to a part in a million,
примерно 30 секунд в год. Это восхитительно.
about 30 seconds in a year. That's amazing.
Но за 100 000 долларов
But for $100,000,
вы можете купить атомные часы с
you can buy an atomic clock that's
точностью до миллионной части,
good to a part in a million million,
то есть 30 секунд за миллион лет.
that's 30 seconds in a million years.
Вы можете сказать, что 100 000 за часы
You may say 100,000 for a clock,
— это большие деньги, но подумайте об этом так.
that's a lot of money, but think about it this way.
Вы тратите в 1000 раз больше
You spend 1,000 times more
денег и получаете в миллион раз более высокую производительность.
money and you get a million times better performance.
Я думаю, что это сделка.
I think that's a bargain.
Но вы все еще можете спросить себя, кому
But you still may ask yourself who needs
нужны настолько хорошие часы?
a clock that is that good?
Потому что, в конце концов, нам не
Because after all, we don't
нужно знать, сколько сейчас времени с
need to know what time it is to
такой степенью точности, чтобы вести
that level of precision in order to
повседневную жизнь, по
go about our daily lives,
крайней мере, вы так думаете.
or so you may think.
Теперь я хочу убедить
I now want to convince
вас, что на самом деле вы очень счастливы, что
you that in fact you are very happy that
кто-то ведет учет времени с такой
somebody is keeping track of time to that level of
точностью, чтобы делать то,
precision to do things
что важно для вас в повседневной жизни.
that are important to you in your daily lives.
Я нашел это объявление в журнале
I found this advertisement in a magazine,
, рекламу какого-то дорогого автомобиля,
an advertisement for some high-end car,
и в нем говорится, что если у вас возникнут проблемы с этим автомобилем,
and it says if you get into trouble with this car,
не беспокойтесь, потому что помощь находится всего в 10 000 миль от вас.
don't worry because help is only 10,000 miles away.
10 000 миль, о которых они говорят, —
The 10,000 miles they're referring to is
это высота орбиты
the orbiting altitude of
the satellites of
спутников спутниковой навигационной системы, которую мы называем GPS,
the satellite navigation system that we call GPS,
или глобальной системой позиционирования.
or the global positioning system.
Как это работает? Это работает благодаря
How does it work? It works by having
атомным часам на борту этих спутников.
atomic clocks on board inside these satellites.
Созвездие минимум из 24 спутников,
A constellation of 24 satellites minimum
вращающихся вокруг Земли, с атомными часами
orbiting the Earth with atomic clocks
на борту. Вот как это работает.
on board. Here's how it works.
Это мультфильм.
This is a cartoon.
Вот пара спутников GPS.
Here's a couple of GPS satellites.
У них на борту атомные часы.
They've got atomic clocks on board.
Вот вы со своим GPS- приемником на земле.
Here you are with your GPS receiver on the ground.
У вас нет часов,
Now, you don't have a clock,
но ради аргумента
but for the sake of argument,
давайте представим, что они у вас есть.
let's imagine that you do.
Все эти часы синхронизированы.
All of these clocks are synchronized.
На это указывает тот факт, что вы
That's indicated by the fact that you
видите, что все эти часы показывают одно и то же время.
see all these clocks are showing the same time.
Теперь часы
Now, the clocks are
передают информацию о том, который сейчас час,
broadcasting information about what time it is,
и они также передают
and they're also broadcasting
информацию о своем местоположении,
information about their location,
где они находятся в космосе.
where they are in space.
Поскольку они передают эту информацию,
As they broadcast that information,
требуется определенное
the information takes a certain amount of
время, чтобы информация дошла до получателя.
time to get to the receiver.
Когда вы получаете информацию от
When you receive information from
этого спутника, говорящую вам, который сейчас час,
this satellite telling you what time it is,
он сообщает вам время,
it tells you the time it was when
когда сигнал покинул спутник.
the signal left the satellite.
Теперь вы сравните это со
Now you compare that to the time it
временем на ваших часах, когда оно будет
is on your clock when it gets
получено, и, поскольку вы знаете скорость света,
received and because you know the speed of light,
вы знаете, как далеко вы находитесь от спутника,
you know how far away you are from the satellite,
и поскольку вы знаете, где находится спутник,
and because you know where the satellite is,
вы знаете, где-то на этой поверхности.
you know you're somewhere along this surface.
Это если у вас один спутник.
That's if you have one satellite.
У вас есть другой спутник, и
You've got another satellite, and
когда вы получаете сигнал с этого спутника,
when you get the signal from that satellite,
он сообщает вам, как далеко вы находитесь от этого спутника.
it tells you how far away you are from that satellite.
Это означает, что вы находитесь
That means you're at
на пересечении этой кривой и этой кривой,
the intersection of this curve and this curve,
так что вы знаете, что вы здесь.
so you know you're here.
Если бы мы жили в двухмерной вселенной,
Now if we lived in a two-dimensional universe,
это было бы все, что вам нужно было бы знать.
that would be all you'd need to know.
Но мы живем в трехмерной вселенной,
But we live in a three-dimensional universe,
поэтому нужен еще один спутник.
so you need another satellite.
Если бы у вас были часы, это было бы все, что вам нужно,
If you had a clock, that would be all you would need,
но у вас их нет, поэтому нам нужен четвертый спутник.
but you don't, so we need a fourth satellite.
Когда вы включаете свой GPS-приемник,
When you turn on your GPS receiver
и он говорит, что ищет спутники,
and it says looking for satellites,
он пытается найти четыре.
it's trying to find four.
Когда он находит четыре спутника,
When it finds four satellites,
он готов к работе
it's ready to go,
и может сказать вам, где вы находитесь в любой
and it can tell you where you are anywhere
точке земного шара с точностью до нескольких метров.
on the face of the Earth within a few meters.
Люди используют их повсюду.
People are using these everywhere.
Я использую их, чтобы найти дорогу
I use them just to find my way to
к местному автосалону, такси, грузовым автомобилям,
a local car dealer, taxis, delivery trucks,
коммерческим самолетам и кораблям, военной технике,
commercial aircraft and ships, military vehicles,
даже люди, которые отправляются в поход
even people who are going hiking out in
в дикую местность, берут эти вещи с собой.
the wilderness take these things with them.
Игроки в гольф используют его, чтобы выяснить, как
Golfers use it to figure out how
далеко они находятся от грина,
far they are from the green,
а ученые Земли могут изучать
and Earth scientists can study
дрейф континентов с помощью глобальной системы позиционирования.
continental drift using the Global Positioning System.
Это так хорошо,
It's that good,
и все из -за атомных часов,
and it's all because of atomic clocks,
так что вы заботитесь о времени на этом уровне.
so you care about time at that level.
Вы спросите, а как же выглядели эти часы?
Now you may ask, what did these clocks look like?
Ну, я нашел еще одно объявление в журнале.
Well, I found another ad in a magazine.
Однажды это была реклама авиакомпании,
Once, it was an ad for an airline,
в которой говорилось: «Недавно
and it said, "Recently,
ученые из Брауншвейга,
scientists in Braunschweig,
Германия, перевели атомные часы на одну секунду назад,
Germany, set the atomic clock back one full second,
и мы соответствующим образом скорректировали наши графики».
and we've adjusted our schedules accordingly."
Эта авиакомпания, кстати,
That airline, by the way,
больше не работает.
isn't in business anymore.
Но то, что они говорят о переводе атомных часов
But what they say about setting the atomic clock
на секунду назад, верно,
back a second is true,
почему они выбрали Брауншвейг, Германия,
why they chose Braunschweig, Germany,
когда это была американская компания,
when this was an American company,
и то же самое делается
and the same is done at
в Национальном институте стандартов и
the National Institute of Standards and
технологий, где мы отслеживаем
Technology where we keep track of
время для Соединенные Штаты.
time for the United States.
Я понятия не имею, почему они используют Германию,
I have no idea why they use Germany,
но это не главное.
but that's not the point.
Дело в том, что прибор, перед
The point is that the instrument in front of
которым стоят эти два мужлана,
which these two dorks are standing,
совсем не похож на атомные часы.
looks nothing like an atomic clock.
Если бы вы отправились в наши лаборатории
If you were to go to our laboratories
в Боулдере, штат Колорадо,
in Boulder, Colorado,
где у нас есть атомные часы, и посмотрели
where we have the atomic clocks and look
на лучшие атомные часы несколько лет назад,
at the best atomic clock from a few years back,
это выглядело бы так.
it would look like this.
Эта длинная трубка, которую вы видите
This long tube that you see
здесь, — это место, где атомы цезия образуют атомный пучок,
here is where the cesium atoms form an atomic beam,
а этот внешний цилиндр
and this outside cylinder
защищает их от любых магнитных
protects them from any magnetic
полей, которые могут быть вокруг.
fields that might be around.
Если мы посмотрим на это немного
If we look a little bit
глубже, чтобы увидеть, как это работает,
deeper into this to see how it works,
у нас есть цезиевая печь.
we've got a cesium oven.
Это просто металлическая банка,
It's just a can of metal,
и цезий внутри,
and the cesium in there,
он нагревает атомы,
it's heated up the atoms,
испаряется из металла
evaporate from the metal,
и выходит через маленькое отверстие сбоку
and come out a little hole in the side,
, образуя пучок атомов, движущихся
make a beam of atoms moving along
здесь со скоростью более 100 метров в секунду.
here at more than 100 meters per second.
Теперь по причинам , о которых мы говорили,
Now for the reasons that we talked about,
каждый из этих атомов подобен маленьким крошечным часам.
each one of these atoms is like a little tiny clock.
Это идеальные часы,
It's a perfect clock,
потому что именно они определяют то, что
because it's the thing that defines what
мы подразумеваем под самим временем.
we mean by time itself.
Атомы проходят через место, где есть микроволны,
The atoms pass through a place where there's microwaves,
мы называем это микроволновой полостью.
we call it a microwave cavity.
По сути, этот микроволновый резонатор
What that microwave cavity
does essentially is synchronize
синхронизирует тиканье атомов цезия
the ticking of the cesium atoms
с тиканьем микроволн.
with the ticking of the microwaves.
Атомы идут к другому
The atoms go to the other end of
концу аппарата и снова видят микроволны,
the apparatus and see the microwaves again,
и здесь происходит
and what happens here is
следующее: тиканье микроволн
that the ticking of the microwaves is
теперь сравнивается с тиканьем
compared now to the ticking of
атомов цезия, и они немного сбиваются,
the cesium atoms and they're a little bit off,
тогда вы делаете приспособление для
then you make an adjustment to
изменения хода кварцевых часов,
change the ticking of the quartz clock,
потому что совершенны атомы .
because it's the atoms that are perfect.
Это похоже на то, что произошло бы, если бы вы захотели
It's like what would happen if you wanted to
проверить, показывают ли ваши собственные часы точное время.
see whether your own watch was keeping the right time.
Вы зайдете в Интернет на www.nist.gov,
You'd go online to www.nist.gov and you
откроете веб-сайт
get the time.gov website and
time.gov и синхронизируете свои часы с этим веб-сайтом,
you'd synchronize your watch to that website,
но это не скажет вам,
but that doesn't tell you
насколько быстро или медленно идут ваши часы.
how fast or slow your watch is running.
Вы должны вернуться позже, чтобы сравнить.
You've got to come back later to compare.
Ну, понятно,
Well, obviously, it's useless to
возвращаться через минуту бесполезно.
come back a minute later.
Обычно я делаю это примерно через месяц,
I usually do this about a month
а затем смотрю, есть ли разница,
later and then see whether there's a difference,
и тогда я знаю, насколько спешат или медленны мои часы.
and then I know how fast or slow my watch is.
То же самое и с атомами.
It's the same way with the atoms.
Вы не хотите проверять слишком быстро после синхронизации,
You don't want to check too soon after you synchronize,
и поэтому у вас есть что-то
and that's why you have something like
вроде метра между местом, где вы
a meter between the place where you
синхронизируете, и местом, где вы сравниваете.
synchronize and the place you compare.
Но атомы движутся со скоростью 100 метров в секунду,
But the atoms are going at 100 meters per second,
так что это означает, что
so that means it's only a few thousands of
между временем, которое вы
a second between the time you
синхронизируете, и временем, которое вы можете сравнить, всего несколько тысяч секунд.
synchronize and the time you can compare.
Но эти часы удивительны.
But these clocks are amazing.
Эти часы хороши для части в 10 ^ 14.
These clocks are good to a part in 10^14.
Но причина, по которой они ограничены долей в 10^14, заключается
But the reason why they're limited to a part in 10^14 is
именно в том факте, что атомы движутся очень быстро,
just this fact that the atoms are moving so fast,
и это ограничивает
and that it limits the amount of
время, необходимое для измерения,
time you have to make the measurement,
что означает, что вы не можете точно также,
which means you can't do quite as well,
но есть еще вещи.
but there's more things.
Есть эффект Доплера.
There's the Doppler effect.
Когда эти атомы движутся
When these atoms are moving
из-за эффекта Доплера,
because of the Doppler effect,
кажется, что их тиканье отличается
it seems like their ticking is different
и возникает релятивистское замедление времени.
and there's relativistic time dilation.
Эйнштейн в своей специальной теории относительности
Einstein in his special theory of relativity,
учил нас, что время относительно,
taught us that time is relative,
и кажется, что движущиеся часы идут медленно,
and a moving clock seems to run slow,
а эти атомы — движущиеся часы.
and these atoms are moving clocks.
Скажем немного об эффекте Доплера.
Let's say a little bit about the Doppler effect.
Если у вас есть часы, подобные атомам, и если вы
If you've got a clock like atoms and if you were
двигались к ним или если они двигались к вам,
moving toward it or if it was moving toward you,
произойдет сдвиг частоты.
there will be a shift in the frequency.
Дробный сдвиг частоты
The fractional shift in the frequency is equal to
равен отношению скорости хода
the ratio of the velocity of
часов к скорости света.
the clock to the velocity of light.
Обычно это довольно мало.
Usually, that's pretty small.
Неважно, двигается ли приемник
It doesn't matter whether the receiver moves
или двигаются часы.
or whether the clock moves.
Кстати, именно
By the way, this is how
так полицейские определяют, насколько быстро едет ваша машина.
the cops tell how fast your car is going.
Они светят микроволнами на вашу машину
They shine microwaves on your car,
, микроволны отражаются от вашей машины,
the microwaves reflect off your car
и это означает, что ваша машина подобна движущимся часам.
and that means your car is like a moving clock.
Полицейские получают микроволны,
The cops receive the microwaves,
смотрят на разницу в частоте между
look at the difference in the frequency between
тем, что они посылают, и тем, что возвращается,
what they sent out and what comes back,
и видят, как быстро вы работаете.
and they see how fast you're going.
Теперь, как я сказал, дробный доплеровский сдвиг —
Now, as I said, the fractional Doppler shift is
это отношение скорости атома к скорости света.
the ratio of the atom's velocity to the speed of light.
Теперь типичная скорость, скажем
Now a typical velocity, say,
, молекул воздуха в помещении
the molecules in the air in the room are
движется около 300 метров в секунду.
moving about 300 meters per second.
Скорость света составляет 300 миллионов метров в секунду,
The speed of light is 300 million meters per second,
поэтому дробное смещение составляет миллионную часть.
so the fractional shift is a part in a million.
Это может звучать не так уж и много, но подождите минутку.
That may not sound like very much, but wait a minute.
Мы хотим сыграть в 10^14,
We want to do a part in 10^14,
это катастрофа.
this is a disaster.
К счастью, есть
Fortunately, there are all kinds
всевозможные уловки, чтобы от него избавиться.
of tricks to get rid of it.
Вы следите за тем, чтобы микроволны
You make sure that you've got the microwaves
шли в обоих направлениях одновременно,
coming in both directions at the same time,
чтобы они компенсировались,
so it cancels out,
и это избавляло от большей части,
and this gets rid of most of it,
но не от всего.
but not all of it.
Тот факт, что вы не можете избавиться от всего этого, является одной
The fact that you can't get rid of it all is one of
из причин, почему эти часы
the reasons why these clocks
подходят только для части в 10 ^ 14.
are only good to a part in 10^14.
Тогда есть Эйнштейн.
Then there's Einstein.
В специальной теории относительности Эйнштейна говорится,
Einstein's theory of special relativity says that
что часы идут медленнее , чем
the clocks runs slow by the ratio of
отношение квадрата скорости атомов
the square of the velocity of the atoms to
к скорости света, что составляет около 10 ^ минус 12.
the velocity of light that's around 10^minus 12.
Опять же, это может показаться не таким уж большим,
Again, that may not seem like very much,
но мы хотим сделать 10 ^ минус 14 или лучше,
but we want to do 10^minus 14 or better,
и нет никаких уловок, чтобы избавиться от этого.
and there aren't any tricks to get rid of this.
Единственный способ избавиться от этого
The only way you can get rid of this
— измерить все скорости и внести соответствующие поправки,
is measure all the velocities and correct for it,
а это действительно трудно сделать.
and that's really hard to do.
То, что мы хотим сделать, и
What we want to do, and
вот где это действительно начинает становиться интересным,
here's where it really starts to get interesting,
мы хотим замедлить атомы
we want to slow the atoms
, чтобы у нас не было этих проблем.
down so that we don't have these problems.
Замедление атомов означает их охлаждение.
Slowing the atoms down means cooling them.
Помните название доклада?
Remember the title of the talk?
Самые холодные вещи
The coldest stuff in
во вселенной или самые крутые вещи во вселенной.
the universe or the coolest stuff in the universe.
Причина в том, что разница между
The reason is because the difference between
горячим и холодным – это разница между быстрым и медленным.
hot and cold is the difference between fast and slow.
Если у вас есть горячий газ,
If you've got a hot gas,
это означает, что атомы движутся очень быстро;
it means the atoms are moving around really fast;
а если у вас холодный газ,
and if you've got a cold gas,
то это означает, что атомы движутся намного медленнее.
then it means the atoms are going much more slowly.
На самом деле температура — это просто
In fact, temperature is simply a measure of
мера тепловой кинетической энергии атомов в газе.
the thermal kinetic energy of the atoms in a gas.
Вот и вся температура.
That's all temperature is.
Если мы хотим, чтобы атомы двигались медленнее,
If we want to make the atoms go more slowly,
мы должны их охладить.
we've got to cool them down.
Для того, чтобы дать
In order to give you
вам представление о том, как холодно мы хотим получить некоторые вещи,
an idea about how cold we want to get some things,
я собираюсь показать вам этот фильм речи, которую я
I'm going to show you this movie of a talk that I
сделал лично в городе в Германии под названием Линдау.
gave in-person in a town in Germany called Lindau.
Очень крутой город
A really cool town,
, кстати, там происходят кое-какие прикольные вещи.
by the way, some cool stuff happens there.
Я собираюсь показать вам этот фильм, и я
I'm going to show you that movie, and I'm going
собираюсь рассказать его сам.
to narrate it myself.
Что я делаю, так это
What I'm doing is I've brought
кое-что очень холодное
along some really cold stuff
в этом термосе,
in this thermos bottle,
это штука, которую мы называем дьюаром.
this thing we call a Dewar.
Это жидкий азот.
This is liquid nitrogen.
Я хотел остановить это, но я
I wanted to stop it, but I
заставил его начать сначала. Мне жаль.
made it start over again. I'm sorry.
Точка сравнивается с жидким азотом
The point is compared to the liquid nitrogen,
, пол раскален.
the floor is burning hot.
Жидкий азот такой холодный.
Liquid nitrogen is that cold.
Представьте, что произойдет, если
Imagine what would happen if you were
вы выльете холодную воду на раскаленную плиту.
to pour cold water onto a red hot stove.
Потому что пол похож на раскаленную печь.
Because the floor is like a red hot stove.
Сразу закипает.
It boils immediately.
Вот что здесь происходит.
That's what's happening here.
Жидкий азот кипит.
The liquid nitrogen is boiling.
Идея в том, что если у вас есть что-то невероятно
The idea is, you got something this incredibly
холодное, то почему бы не использовать его для охлаждения газа?
cold then why not use it to cool down some gas?
Вот у меня есть традиционная емкость
Here I've got a traditional container
для горячего газа, баллон.
for a hot gas, a balloon.
Он зеленый, потому что зеленый — один
It's green because green is one of
из цветов города Линдау,
the colors of the town of Lindau,
один из их официальных цветов.
one of their official colors.
Я собираюсь наполнить этот шар горячим газом.
I'm going to fill this balloon with hot gas.
Я из Вашингтона, округ Колумбия, или недалеко от Вашингтона, округ Колумбия.
I'm from Washington DC or just outside of Washington DC.
Мы действительно знакомы с концепцией горячего воздуха здесь.
We're really familiar with the concept of hot air here.
Я наполняю шар горячим воздухом.
I fill the balloon with hot air.
Теперь я собираюсь засунуть его
Now what I'm going to do is I'm going to stuff it into
в ведро, наполненное жидким азотом.
a bucket that is full of liquid nitrogen.
Это главное, что нужно помнить.
That's the key thing to remember.
Он наполнен жидким азотом.
It's full of liquid nitrogen.
Когда я нажимаю на него, может быть, вы
As I press it down, maybe you can
видите, что жидкий азот
see the liquid nitrogen is
выливается, потому что ведро полное.
spilling out because the bucket is full.
Я должен затолкать его в ведро
I got to push it into the bucket
и накрыть ведро крышкой.
and I put a lid on the bucket.
Теперь другой цвет Линдау — белый,
Now the other color of Lindau is white,
поэтому у нас есть несколько белых шаров.
so we got some white balloons.
Оказалось, что воздушные шары, которые
It turned out that the balloons that
мы смогли найти в этом городе
we were able to find in this town,
, единственные белые воздушные шары, которые мы смогли
the only white balloons that we could
найти, было так трудно
find were so hard to blow
надуть, что мне пришлось попросить этого молодого студента-физика
up that I had to get this young physics student
помочь вам надуть воздушные шары.
to help you blow the balloons up.
Роман, будучи молодым и сильным,
Roman, being young and strong,
смог надуть эти шары, на
was able to blow up these balloons,
что я был не способен.
which I was not capable of doing.
Я снова засуну
I'm going to stuff
этот белый шар в ведро.
this white balloon into the bucket again.
Вы можете видеть, как жидкий азот выливается.
You can see liquid nitrogen is pouring out.
Но продолжим.
But let's keep going.
Если мы хотим что-то сделать,
If we want to do something,
мы можем сделать это с большим количеством газа.
we might as well do it with a lot of gas.
Давайте наполним еще один воздушный шар горячим воздухом.
Let's fill up another balloon with hot air.
Тем временем Роман надувает другой шарик,
Meanwhile, Roman is blowing up this other balloon,
а я собираюсь засунуть внутрь этот зеленый шарик.
and I'm going to stuff this green balloon in.
Похоже, я его слишком сильно надул,
It looks like I maybe blew it up a little bit too much,
так что мне пришлось его немного сжать, чтобы он поместился. внутри.
so I got to squeeze it a little bit to get it to fit in.
Но в конце концов я сжимаю его и закрываю крышкой.
But eventually I get it squeezed in and put the lid on.
Теперь я беру воздушный шар у Романа.
Now I take the balloon from Roman.
Эти воздушные шары должны быть в форме сердца,
These balloons are supposed to be heart-shaped,
но я не знал, кто придумал эти штуки.
but I didn't know who designed these things.
Они вовсе не взрываются, чтобы быть похожими на сердце.
They don't blow up to look like a heart at all.
Они выглядят как что-то, у чего
They look like something that
есть маленькие уши.
has got a little ears on it.
Но в любом случае, я запихиваю и этот шарик
But anyway, I'm stuffing that balloon into
в ведро.
the bucket as well.
Почему бы нет? Давайте надуем еще один зеленый шар и
Why not? Let's blow up another green balloon and get
наберем в это ведерко еще горячего воздуха.
some more hot air into this bucket.
Этот жидкий азот действительно холодный.
This liquid nitrogen is really cold.
На самом деле, если вы не были
In fact, if you haven't been
в лаборатории физики низких температур,
in a low-temperature physics laboratory,
это, вероятно, самое холодное вещество, которое вы когда-либо видели.
this is probably the coldest stuff you've ever seen.
Кажется очевидным, что это было бы здорово
It seems obvious this would be a great thing to
использовать для охлаждения горячего газа.
use to cool down a hot gas.
Теперь я снова сделал этот воздушный шар немного большим,
Now I made this balloon a little bit too big again,
так что я сжимаю его и заставляю его войти.
so I'm squeezing it up and getting it to go in.
Теперь я решил,
Now, I decided
потому что я видел, что в аудитории были дети,
because I saw there were some kids in the audience,
и я надеюсь, что некоторые дети смотрят сегодня,
and I hope there's some kids watching today,
то я действительно хочу сказать что-то о безопасности.
then I really want to say something about safety.
Я просто позволю тебе послушать, что я сказал.
I'll just let you listen to what I said.
На самом деле, мне, вероятно, следует уделить
Actually, I should probably take
немного времени, чтобы сказать что-то о
a moment to say something about
безопасности, потому что вы видите, как мы делаем
safety because you're seeing us do
все эти сумасшедшие вещи
all these crazy things up
здесь, на сцене, и вам интересно,
here on stage and you're wondering,
вау, это действительно выглядит круто.
wow, that really looks cool.
Я хотел бы сделать это.
I'd like to do that.
Нет.
No. I've
Я работаю с жидким азотом уже 50 лет.
been working with liquid nitrogen for 50 years.
Я регулярно прохожу инструктаж по технике безопасности .
I get safety training on a regular basis.
Если вы хотите это сделать,
If you want to do this,
вы проходите инструктаж по технике безопасности.
you get the safety training.
Вы научитесь пользоваться жидким азотом и
You'll learn how to use liquid nitrogen and
сможете делать подобные крутые штуки.
you can do cool things like this too.
На самом деле, если вы молоды и думаете, что это круто,
In fact, if you're young and you think this is cool,
и что может быть
and what could be more cool than
круче того, что мы здесь видим,
the things that we're seeing here,
тогда вам следует
then you should grow up to be
вырасти ученым и научиться делать все это.
a scientist and learn how to do all this stuff.
Чем занимаются ученые, так это целыми днями играют с крутыми игрушками.
What scientists do is play with cool toys all day.
Что ж, достаточно верно.
Well, true enough.
Теперь вернемся к набиванию шариков.
Now let's go back to stuffing the balloons in.
Берем последний шарик.
We take this last balloon.
Эти забавные маленькие уши на нем.
Those funny little ears on it.
Опять же, я просто сжимаю его и засовываю внутрь.
Again, I just squeeze it and stuff it in.
Но у нас там три зеленых шарика
But we got three green balloons
и три белых шарика.
and three white balloons in there.
Но сейчас я хочу сделать небольшую паузу
But now what I want to do is to pause for
и поговорить о том, насколько это холодно.
just a moment and talk about how cold this stuff is.
Достаточно холодный, чтобы закипеть, когда выливаешь его
Cold enough that it boils when you pour it out on
на землю, потому что земля намного горячее, чем он.
the ground because the ground is so much hotter than it.
Чтобы говорить о том, насколько холодно,
In order to talk about how cold it is,
мы должны говорить о температурной шкале, которую
we have to talk about the temperature scale that
физики любят использовать для описания температур.
physicists like to use to describe temperatures.
Теперь вы знаете, что в повседневной жизни
Now, you know that in daily life,
мы обычно описываем вещи,
we generally describe things using
используя шкалу Фаренгейта или шкалу Цельсия.
the Fahrenheit scale or the Celsius scale.
Возможно, в холодный день в Беркли
On maybe a cold day in Berkeley,
она может опуститься до 0 по Цельсию.
it might get down to 0 Celsius.
В действительно холодный день в Вашингтоне
On a really cold day in Washington,
она может опускаться до 0 градусов по Фаренгейту или даже ниже.
it might get down to 0 Fahrenheit or even below.
Но физики не
But physicists do not like
любят температуры ниже нуля.
to have temperatures below zero.
Это просто не имеет смысла.
It just doesn't seem to make sense.
У нас есть температурная шкала, которую мы называем шкалой Кельвина,
We have a temperature scale we call the Kelvin scale,
где градусы одного и того же — это
where the degrees of the same is
градусы Цельсия, а ноль
Celsius degrees but zero of
шкалы Кельвина —
the Kelvin scale is
это самая низкая температура, которую вы можете иметь.
the lowest temperature you could possibly have.
Отрицательной температуры не бывает.
There is no such thing as negative temperature.
Ну, это немного ложь.
Well, it's a little bit of a lie.
Но давайте пока
But let's just for the moment
скажем, что ноль —
say that zero is
это самая низкая температура, которая у вас есть. Это правда.
the lowest temperature you have. That's true.
Теперь вы можете спросить, почему там самая низкая температура?
Now, you might ask, why is there a lowest temperature?
Ну, вспомните, что такое температура.
Well, remember what temperature is about.
Речь идет о кинетической энергии атомов.
It's about the kinetic energy of the atoms.
Чем быстрее движутся атомы,
The faster the atoms are going,
тем выше температура, чем медленнее
the hotter the temperature, the slower
движутся атомы, тем ниже температура.
the atoms are going, the lower the temperature.
Ну, что самое медленное вы можете пойти?
Well, what's the slowest you can go?
Самое медленное, на что вы можете двигаться, останавливается,
The slowest you can go is stopped,
и поэтому существует самая низкая возможная температура,
and so there's a lowest possible temperature,
когда атомы останавливаются.
when the atoms stop.
Теперь оказывается, что из-за вещей, связанных
Now, it turns out because of things having to do
с квантовой механикой и
with quantum mechanics and
принципом неопределенности Гейзенберга
Heisenberg's uncertainty principle,
, атомы никогда не останавливаются.
the atoms never really stop.
Но давайте просто скажем, что между нами друзья,
But let's just say that between us friends
что абсолютный ноль, когда движение останавливается.
that absolute zero is when the motion stops.
По этой шкале комнатная температура составляет около 300 градусов.
On this scale, room temperature is about 300 degrees.
Давайте поговорим о некоторых холодных вещах.
Let's talk about some cold stuff.
Лед тает примерно при 273 градусах, это 0 по Цельсию.
Ice melts at about 273 degrees, that's 0 Celsius.
По-настоящему холодный
A really cold,
снежный день в Вашингтоне
snowy day in Washington
обычно может достигать 260 градусов по Кельвину.
might be typically around 260 Kelvin.
Мороженое в твоей морозилке, вероятно, 255 Кельвинов.
Ice cream in your freezer, probably 255 Kelvin.
Сухой лед, довольно холодная штука, 195 Кельвинов.
Dry ice, pretty cold stuff, 195 Kelvin.
Антарктида. Самая низкая температура,
Antarctica. The coldest temperature
когда-либо измеренная для температуры воздуха на Земле,
ever measured for the air temperature in the Earth,
где-либо на поверхности Земли составляла 185 градусов.
anywhere on the surface of the Earth was 185 degrees.
Подумайте об этом, на 10 градусов холоднее, чем
Think of that, 10 degrees colder than
сухой лед, 185 градусов.
dry ice, 185 degrees.
Самая низкая температура на Земле.
Coldest temperature anywhere on Earth.
Жидкий азот имеет температуру 77 градусов выше абсолютного нуля.
Liquid nitrogen is 77 degrees above absolute zero.
Этот материал действительно холодный.
This stuff is really cold.
Очевидно, что с чем-то таким холодным
It's obvious that with something that cold,
было бы неплохо охладить немного газа,
it would be a good thing to use to cool down some gas,
что мы и сделали,
which is what we were doing by
вставив все эти воздушные шары.
putting all those balloons in.
Теперь давайте вытащим воздушные шары.
Now, let's take the balloons out.
Предполагаю, что некоторые из наиболее наблюдательных людей из
Guessing that some of the more observant people among
вас поняли, что
you have realized that the volume of
объем шариков, попавших в это ведро, был
the balloons that went into this bucket was
значительно больше, чем объем самого ведра.
considerably greater than the volume of the bucket.
Причина в том, что
The reason for that is that
эти шарики превратились в блины.
these balloons have turned into pancakes.
Эти вещи похожи на фрисби.
These things are like Frisbees.
Кажется, это был уже шестой шарик, который я сюда засунул.
I think that was the sixth balloon that I put in here.
Они были зелеными и белыми. Вы видели, как они вышли.
They were green and white. You saw them come out.
А красные шарики?
What about red balloons?
Как насчет синих?
How about blue ones?
Как насчет красного снова? Там снова красный.
How about red again? There's red again.
Есть оранжевый. Есть еще один оранжевый.
There's orange. There's another orange one.
Вот желтый. Вот еще один желтый.
Here's a yellow one. Here's the other yellow one.
Я загрузил эту
I loaded that thing
штуку воздушными шарами, прежде чем мы начали,
up with balloons before we started,
и я мог бы, вероятно, положить
and I could have probably put
туда 100 воздушных шаров, потому что
a 100 balloons in there because
каждый из этих воздушных шаров стал плоским, как блин.
every one of those balloons became as flat as a pancake.
Но, как видите,
But as you can see,
эти шарики не
those balloons did not
стали плоскими, потому что воздух ушел.
become flat because the air went away.
Потому что, как только они согрелись, эти воздушные шары снова надулись.
Because once they warmed up, those balloons re-inflated.
Случилось так,
What's happened is that
что газ, который был в этих баллонах, сконденсировался.
the gas that was in those balloons condensed.
Это происходит с любым газом.
This will happen with any gas.
Если вы поместите газ в какой-нибудь контейнер,
If you put the gas in some container,
поместите этот контейнер в контакт с чем-то холодным,
put that container in contact with something cold,
в данном случае с жидким азотом,
in this case liquid nitrogen,
если он достаточно холодный,
if it's cold enough,
то газ
then the gas is going to
сконденсируется в жидкость или твердое тело,
condense into a liquid or a solid,
или он будет прилипать к
or it's going to stick to the inside of
внутри контейнера, и у вас больше не будет газа.
the container and you will not have a gas anymore.
Это не поможет вам
That won't do you any good for making
сделать часы, потому что для того, чтобы
a clock because in order to
получить идеальную частоту хода
get this perfect ticking frequency,
, атомы должны свободно парить в пространстве;
the atoms have to be floating freely in space;
не прилипает к другим атомам,
not stuck onto other atoms,
не прилипает к какому-то контейнеру.
not stuck onto some container.
Как мы собираемся охладить что-
How are we going to cool something
то, не прикасаясь к нему?
down without touching it?
Это не сработает.
This is not going to work.
Дело в том, что с этим есть другие проблемы.
The fact is there are other problems with this.
Семьдесят семь градусов, самая холодная вещь, которую вы когда-либо
Seventy-seven degrees, the coldest stuff you've ever
видели, если вы не были
seen if you haven't been
в лаборатории низкотемпературной физики.
in a low temperature physics lab.
Поскольку
Because the velocity of
скорость атомов равна квадратному корню из температуры,
the atoms goes like the square root of the temperature,
это означает, что скорость
that means that the velocity of
этих молекул азота, когда они испаряются
those nitrogen molecules when they boil off,
, вдвое меньше, чем скорость воздуха в этой комнате, вдвое меньше.
is half as fast as the air in this room, half as fast.
Что ж, множитель два — это неплохо,
Well, the factor of two isn't bad,
но я не тратил
but I have not spent
всю свою профессиональную карьеру на
my entire professional career
попытки создать полубыстрые атомы.
trying to make half fast atoms.
Что я хотел сделать, так это
What I wanted to do was to
сделать вещи, которые были очень, очень медленными.
make things that were really, really slow.
Как мы собираемся это сделать?
How are we going to do that?
В частности, как мы
In particular, how are we
будем охлаждать что-то, не прикасаясь?
going to cool something without touching?
Ответ веками смотрел на нас
The answer has been staring at us from
с небес,
the heavens for centuries
потому что со времен Кеплера
because since the time of Kepler,
люди знали,
people have known that
что хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца.
the tails of comets always point away from the sun.
Когда комета появляется откуда-то
When a comet comes in from somewhere out in
из мирового облака и подходит достаточно близко к Солнцу
the world cloud and gets close enough to the sun,
, пыль и газ, составляющие комету, нагреваются.
the dust and gas that makes up the comet heats up.
Затем давление солнечного света
Then the pressure from the sunlight pushes
выталкивает пыль и газ,
the dust and gas out
образуя хвост, который всегда направлен в сторону от солнца.
forming a tail that always points away from the sun.
Когда комета приближается
As the comet comes around,
, солнце уходит из хвостовых потоков перед ней,
the sun goes back out the tail streams in front of it,
потому что оно всегда направлено в сторону от солнца.
because it always points away from the sun.
Мы собираемся сделать то же самое с нашими атомами.
We're going to do the same thing with our atoms.
Мы собираемся использовать давление
We're going to use the pressure of
лазерного света, чтобы подтолкнуть атомы
laser light to push on the atoms,
, чтобы заставить их замедлиться.
so as to make them slow down.
Если они все замедляются,
If they all slow down,
то это означает, что газ холоднее.
then that means the gas is colder.
Для того, чтобы понять, как это работает,
In order to understand how this works,
мне нужно рассказать вам о двух важных вещах.
I need to tell you about two important things.
Один из которых мы уже обсуждали.
One of which we've already discussed.
Первый – резонанс.
The first one is resonance.
Если у меня есть газ,
If I've got a gas,
обычно он прозрачен,
typically the gas is transparent,
как воздух в этой комнате.
like the air in this room.
Свет, проходящий через газ, не поглощается.
Light passing through the gas is not absorbed.
Если свет не поглощается,
If the light is not absorbed,
то он не может толкать атомы.
then it can't push on the atoms.
Чтобы подтолкнуть атомы,
In order to push on the atoms,
я должен заставить атомы поглощать свет.
I've got to have the atoms absorb the light.
Теперь, если у меня есть газ атомов
Now, if I've got a gas of atoms,
, атомы будут поглощать свет только в
the atoms will only absorb
том случае, если цвет света,
the light if the color of the light,
то есть частота света.
which is to say the frequency of the light.
Свет — это электромагнитная волна,
Light is an electromagnetic wave,
такая же, как радиоволны и микроволны.
just like radio waves and microwaves.
У него есть частота, очень высокая
It has a frequency, very high
частота, около 10-15 герц.
frequency, about 10-15 hertz.
Если эта частота не будет подходящей
Unless that frequency is just right,
, атомы не будут поглощать свет.
the atoms will not absorb the light.
На самом деле, она должна быть в
In fact, it better be within
пределах 10 мегагерц от правильной частоты, а
about 10 megahertz of the correct frequency,
это значит, что она должна
which means that it's got to be right to
разойтись на 100 миллионов.
apart in a 100 million.
Если бы вы смотрели на два цвета
If you were looking at two colors
, которые отличаются на одну стомиллионную часть,
that were different by a part in a 100 million,
вы бы никогда не смогли
you would never be able to tell
определить разницу между этими двумя цветами.
the difference between those two colors.
Но атомы могут легко
But the atoms can easily tell
определить разницу между этими двумя цветами,
the difference between those two colors
потому что они
because they are so
чрезвычайно чувствительны к цвету света.
exquisitely sensitive to the color of the light.
Они поглощают только нужный цвет.
They only absorb just the right color.
Это одно, резонанс.
That's one thing, resonance.
Свет должен находиться в резонансе с атомами,
The light has to be in resonance with the atoms,
он должен соответствовать
it has to match the frequency of
частоте атомов, иначе он не будет поглощен.
the atoms or it won't be absorbed.
Во-вторых, это доплеровский сдвиг.
The second thing is the Doppler shift.
Мы уже говорили об этом.
We've already talked about that.
Если у меня есть движущийся приемник, скажем, атомы,
If I've got a moving receiver, say the atoms,
движущиеся к какому-то источнику света,
moving toward some source of light,
он выглядит для этого приемника так, как
it looks to that receiver as if
будто частота света выше.
the frequency of the light is higher.
Этот эффект очень мал.
This effect is very small.
Было бы очень плохой идеей, если бы вы
It would be a really bad idea if you
ехали на красный свет и вас
went through a red light and were stopped by
остановила полиция, чтобы
the police to explain to
объяснить офицеру, что, поскольку
the officer that because you
вы двигаетесь на красный свет, из-
were moving toward the red light,
за доплеровского сдвига он выглядит зеленым.
that the Doppler shift made it look green.
Чтобы смещение было таким большим,
In order for the shift to be that big,
вы должны были бы двигаться
you would have to be moving close
со скоростью, близкой к скорости света,
to the velocity of light,
и я думаю, что нарушение скорости
and I think the speeding violation would
будет хуже, чем нарушение красного света.
be worse than the red light violation.
Он очень маленький. Вы никогда не сможете увидеть это изменение,
It's very tiny. You could never see this change,
но атомы могут,
but the atoms can,
потому что атомы очень чувствительны.
because the atoms are so exquisitely sensitive.
Теперь вы знаете, что нам нужно
Now you know what we need to
знать, чтобы понять лазерное охлаждение.
know in order to understand laser cooling.
Вот мультик про лазерное охлаждение.
Here's a cartoon of laser cooling.
Мы представляем себе газ атомов в одном измерении.
We're imagining a gas of atoms in one dimension.
Некоторые атомы идут вправо.
Some of the atoms are going to the right.
Некоторые атомы идут влево.
Some of the atoms are going to the left.
Мы вводим лазерный свет,
We're bringing in laser light,
и лазер был настроен.
and the laser has been tuned.
Это немного
It's a little bit below
ниже резонансной частоты атомов.
the resonant frequency of the atoms.
Атомы любят его поглощать не только на правильной частоте
It's not at just the right frequency
.
that the atoms like to absorb it.
Но этот атом, двигаясь к лазерному лучу,
But this atom, moving toward the laser beam,
видит, что частота лазерного луча
sees the laser beam frequency
смещена вверх из- за доплеровского сдвига,
shifted up because of the Doppler shift,
и поэтому он сильно поглощает
and so it does absorb strongly
этот лазерный луч, что замедляет его.
from this laser beam, which slows it down.
Этот атом движется в другую сторону,
This atom moving the other way,
если бы он его поглотил, он бы ускорился.
if it absorbed it, it would speed up.
Но видите ли, из-за того, что он удаляется
But you see, because it's moving away,
, доплеровский сдвиг смещает эту лазерную
the Doppler shift shifts this laser
частоту вниз настолько, насколько это касается атома,
frequency down as far as the atom is concerned,
так что он не будет поглощать слишком много.
so it won't absorb very much.
Теперь, если мы подведем лазерный свет с другой стороны,
Now, if we bring in laser light from the other side,
тогда этот атом увидит, что
then this atom sees
этот лазерный луч имеет правильную частоту,
this laser beam as having the right frequency,
он поглощает его и замедляет.
it absorbs it, and it slows down.
Этот атом воспринимает этот лазерный луч
This atom sees this laser beam
как имеющий правильную частоту
as having the right frequency,
, поглощает его и замедляет.
it absorbs it, and it slows down.
Это прекрасно работает и в трехмерном пространстве.
This works just fine in three-dimensions as well.
Если вы направляете лазерные лучи
If you bring laser beams in from
сверху и снизу, назад и вперед,
the top and the bottom and backwards and forwards,
то независимо от того, куда движется атом, он замедляется.
then no matter which way the atom goes, it slows down.
Атом чувствует себя так, как будто он находится в вязкой жидкости.
The atom feels as if it is in a viscous fluid.
Представьте, что вы оказались
Imagine that you were in
в бассейне, наполненном патокой.
a swimming pool full of molasses.
Если бы вы попытались двигаться в любом направлении,
If you tried to move in any direction,
вы бы немедленно
you would immediately feel
почувствовали силу, противодействующую вашему движению.
a force that was opposing your motion.
Атомы чувствуют то же самое.
The atoms feel the same way.
Стив Чу и его коллеги из
Steve Chu and his colleagues at
Bell Labs в 1985 году, когда они впервые сделали это,
Bell Labs in 1985 when they first did this,
поняли эту особенность и назвали это оптической патокой.
understood this feature and named this optical molasses.
Теперь, если бы это было все
Now, if that was all there was to it,
, атомы просто остановились бы.
the atoms would simply come to rest.
Но все никогда не бывает так просто из-за того,
But things are never that simple because of
чему нас научил Эйнштейн в 1905 году,
something Einstein taught us in 1905,
что мы должны думать о
that we should think of
свете как о потоке частиц,
light as being a stream of particles,
это начало корпускулярно-волнового дуализма.
this beginning of wave-particle duality.
Лазерные лучи не только охлаждают атомы,
The laser beams not only cool the atoms,
но и нагревают их.
but they heat them as well.
Когда атомы поглощают свет,
When the atoms absorb light,
они поглощают по одному фотону за раз.
they absorb one photon at a time.
Когда они излучают свет, они излучают по одному фотону за раз.
When they emit light, they emit one photon at a time.
Каждый раз, когда они поглощают и излучают, они получают небольшой толчок.
Every time they absorb and emit, they get a little kick.
Этот выброс является случайным, потому что количество
That kick is random because the number of
фотонов, поглощенных в любой момент времени, является случайным.
photons absorbed in any given time is random.
Направление, в котором
The direction in which the photons
испускаются фотоны, случайно,
are emitted is random,
и этот случайный процесс нагревает атомы.
and that random process heats the atoms.
Это уравновешивает процесс охлаждения, который мы
That balances against the cooling process that we
уже описали, для достижения конечной температуры.
already described to reach a final temperature.
Вот такая должна быть температура.
This is what the temperature should be.
Энергия, связанная
The energy associated with
с движением атомов, по
the movement of the atoms is at
крайней мере равна диапазону
least as big as the range of
энергий фотонов,
energies of the photons
которые будут поглощаться атомом.
that will be absorbed by the atom.
Это означает что-то удивительно замечательное,
What that means is something amazingly wonderful,
что атомы могут нагреваться
that the atoms can get down to
до температуры 240 градусов для атомов натрия,
a temperature as cold as 240 degrees for sodium atoms,
который был первым атомом, который мы
which was the first atoms that we laser
охладили лазером, 240 градусов.
cooled, 240 degrees.
Скорость атомов натрия при
The velocity of sodium atoms at
240 градусах составляет 30 сантиметров в секунду.
240 degrees is 30 centimeters per second.
Нормальная скорость атомов натрия
The normal velocity of sodium atoms
составляет сотни метров в секунду.
is hundreds of meters per second.
Теперь, если бы мы могли охлаждать их лазером,
Now, if we could laser cool them,
они работали бы только со скоростью 30 сантиметров в секунду,
they'd only be going at 30 centimeters per second,
240 микрокельвинов,
240 microkelvin,
240 миллионов градусов выше абсолютного нуля.
240 millions of a degree above absolute 0.
Это удивительно холодно,
This is amazingly cold,
поэтому все заинтересовались этим.
so everybody got interested in it.
Стив Чу занимался этим в Bell Labs.
Steve Chu was doing this at Bell Labs.
Мы делали это в Гейтерсбурге.
We were doing it in Gaithersburg.
Вот изображение лазерных лучей, идущих со
Here is a picture of laser beams coming in from
всех сторон на светящийся шар из атомов натрия.
all directions onto a glowing ball of sodium atoms.
Это около сантиметра в диаметре.
This is about a centimeter across.
В нем около 100 миллионов атомов.
It's got about a 100 million atoms.
Вопрос в том, можем ли мы измерить, что такое температура?
The question is, can we measure what the temperature is?
Что ж, это метод, который разработал Стив Чу.
Well, this is the method that Steve Chu devised.
Он сказал, давайте начнем с атомов в
He said, let's start with the atoms in
этом светящемся шаре из атомов натрия.
this glowing ball of sodium atoms.
При включенных лазерных
With the laser beams on,
лучах атомы колеблются с некоторой скоростью.
the atoms are jiggling around with some velocity.
Мы выключаем лазерные лучи , патоки больше нет.
We turn the laser beams off, no more molasses.
Атомы движутся с любой скоростью, которую они имеют.
The atoms are moving with whatever velocities they have.
Они взрываются во все стороны.
They explode in all directions.
Мы снова включаем лазерные лучи
We turn the laser beams on
через несколько миллисекунд,
again after a few milliseconds,
и количество оставшихся атомов по
and the number of atoms that are
сравнению с количеством атомов, которые были запущены,
left compared to the number of atoms that started,
говорит нам, какова температура,
tells us what the temperature is
потому что чем меньше атомов осталось,
because the fewer the atoms are left,
тем выше должна быть температура. .
the higher the temperature has to be.
Они сделали это и
They did that and they got
получили измеренную температуру 240 микрокельвинов.
the temperature measured to be 240 microkelvin.
Теперь была большая неопределенность, потому
Now there was a big uncertainty because
что это сложно сделать.
it's a hard measurement to make.
Но это было именно то, о чем говорила теория, это
But it was exactly what the theory said,
была самая низкая температура, которую можно было получить.
was the lowest temperature you could get.
Что ж, чуть позже мы повторили эти измерения,
Well, we repeated those measurements a little bit later,
проделав то же самое, что и они,
doing exactly the same thing that they did,
и получили точно такой же результат — 240 микрокельвинов.
and we got exactly the same answer, 240 microkelvin.
Другие люди в других местах проводили такие же эксперименты
Other people in other places did the same experiments
и получали результаты, согласующиеся с теорией,
and they got results consistent with the theory,
пока мы не начали проводить дополнительные измерения.
until we started to make some more measurements.
Мы начали делать такие вещи, как измерение
We started to do things like measure how sticky
липкости патоки, но ничего не получалось.
the molasses was and it wasn't working out.
Он вел себя совсем не так,
It was not behaving anything like
как предсказывала теория.
what the theory predicted it should.
Полетт сказала: эй, давайте еще раз измерим температуру,
Paulette said, hey, let's measure the temperature again,
раньше мы не очень
we didn't do a very good job
хорошо измеряли температуру.
of measuring the temperature before.
В Bell Labs
At Bell Labs, they didn't do
не очень хорошо справились с измерением температуры.
a very good job of measuring the temperature.
Давайте измерим температуру, так что
Let's measure the temperature so here's
вот техника, которую мы придумали.
the technique we came up with.
Мы начали с атомов оптической патоки.
We started with the atoms in the optical molasses.
Мы выключаем лазерные лучи.
We turn the laser beams off.
Атомы будут падать,
The atoms are going to drop
потому что всегда есть гравитация.
because there's always gravity.
В то же время , когда атомы падают,
At the same time that the atoms are dropping,
они расширяются из-за своих тепловых скоростей.
they're expanding because of their thermal velocities.
Они добираются
They get down to
до места, где у нас есть еще один лазерный луч.
a place where we have another laser beam.
Когда они достигают другого лазерного луча,
When they get to that other laser beam,
они загораются точно так же, как и другая картинка, которую вы видели,
they light up just like the other picture you saw,
за исключением того, что теперь она немного отделена друг от друга.
except now this one is separated by a little bit.
Если вы посмотрите на количество атомов, которые попали сюда
If you look at the number of atoms that hit here,
, вы узнаете это, глядя
which you learn by looking
на яркость, которая исходит отсюда.
at the brightness that comes from here.
Вы смотрите на это как на функцию времени,
You look at it as a function of time,
оно говорит вам, какова температура, поэтому мы так и сделали.
it tells you what the temperature is, so we did that.
Вот как это должно выглядеть, если
This is what it should look like if
бы температура была 240 градусов.
the temperature was 240 degrees.
Теперь я хочу напомнить вам, 240 градусов
Now I want to remind you, 240 degrees
— это самая низкая температура, которую вы можете получить.
is the lowest temperature you can get.
Эта серая кривая — то, что было бы,
This gray curve is what it would've been
если бы температура была 40 микроградусов,
if the temperature was 40 micro degrees,
240 миллионов градусов выше абсолютного
240 millions of a degree above absolute
нуля, вместо 240 микроградусов,
zero instead of 240 micro degrees,
40 микроградусов, учитывая, какие были погрешности.
40 micro degrees, given what are uncertainties were.
Другими словами, мы измеряли что-то, что было в
In other words, we were measuring something that was
шесть раз холоднее, чем предполагалось.
six times colder than it was supposed to be.
Мы чувствовали себя дьяволами из
We felt like the devils in
этого мультфильма, которые видели что-то
this cartoon who have seen something that is
намного более холодное, чем окружающая среда, в которой они находятся.
way colder than the environment in which they are.
Мы буквально видели снежный ком в аду.
We had literally seen a snowball in hell.
Мы придумали еще три способа
We figured out three more ways of measuring
измерения температуры, просто чтобы убедиться,
the temperature just to make
что мы не ошиблись.
sure we weren't making a mistake.
Люди в других лабораториях думали, что мы сошли с ума,
People in other laboratories thought we were crazy,
поэтому они повторили измерения и выяснили, что да,
so they repeated the measurements and found out that yes,
это правда, что температура была намного
it was true the temperature was way
ниже, чем допускала теория.
colder than what the theory allowed.
Казалось очевидным, что нам нужна новая теория,
It seemed clearly that what we needed was a new theory,
и было много дискуссий
and there were a lot of discussion
о том, какой должна быть теория,
about what the theory should be,
и я хотел бы, чтобы у меня было время рассказать вам об этом,
and I wish I had time to tell you about it,
но если вам интересно,
but if you're interested,
спросите меня, и я Я расскажу вам
ask me and I'll tell you
о новой теории, которая вышла.
about the new theory that came out.
Но ключевой момент в том, что, руководствуясь этой новой теорией,
But the key thing is, that guided by this new theory,
которая была результатом работы
that was the result of
Джона Далибарда и Коэна-Таннуджи
John Dalibard and Cohen-Tannoudji
в Париже и Стива Чу, который
in Paris and Steve Chu,
был в то время в Стэнфорде,
was at Stanford at that time,
руководствуясь этой теорией,
guided by that theory,
мы в конце концов получили атомы цезия
we eventually got cesium atoms,
, атомы мы делаем часы с
the atoms we make clocks with,
температурой до 700 нанокельвинов.
down to 700 nanokelvin.
Думать об этом. Это в 200 раз
Think about this. This is 200 times
холоднее, чем ожидалось для атомов цезия.
colder than what was expected for cesium atoms.
Предполагалось, что атомы цезия упадут
Cesium atoms were supposed to go down to
примерно до 130 микрокельвинов.
about 130 micro Kelvin.
Мы снизили его до 700 нанокельвинов,
We got it down to 700 nanokelvin,
то есть примерно в 200 раз
so about 200 times
холоднее, чем предполагалось.
colder than what was supposed to be possible.
В сто миллионов раз холоднее, чем жидкий азот,
A hundred million times colder than the liquid nitrogen,
а это самое холодное вещество, которое вы когда-либо видели.
which is the colder stuff you've ever seen.
В четыре миллиона раз холоднее, чем в открытом космосе,
Four million times colder than outer space,
самая низкая естественная температура во Вселенной.
the coldest natural temperature in the universe.
Когда я говорю самые крутые вещи во вселенной,
When I say the coolest stuff in the universe,
да, буквально самые крутые вещи во вселенной.
yes, literally the coolest stuff in the universe.
Самое холодное вещество
The coolest stuff in
в естественной вселенной имеет температуру
the natural universe is
примерно на три градуса выше абсолютного нуля
about three degrees above absolute zero,
— космическое микроволновое фоновое излучение.
the cosmic microwave background radiation.
Тепловая скорость этих атомов
The thermal velocity of these atoms
составляет один сантиметр в секунду.
is one centimeter per second.
Это то, о чем мы мечтали.
This is what we were dreaming of.
Атомы цезия, часовые атомы,
Cesium atoms, the clock atoms,
один сантиметр в секунду вместо
one centimeter per second instead of
более чем 100 метров в секунду.
over 100 meters per second.
Какие часы мы можем сделать из этого атома?
What clock can we make with this atom?
Ну, вот напоминание
Well, here's a reminder
о том, как выглядели старые часы.
of what the old clocks looked like.
У нас здесь был микроволновый резонатор, в
We had a microwave cavity here,
метре есть еще один.
meter away we have another one.
Мы запускаем атомы цезия со
We shoot cesium atoms through
скоростью более 100 метров в секунду,
here at over 100 meters per second,
и поскольку они движутся так быстро
and because they're going so fast,
, время между синхронизацией и
the time between synchronizing and
сравнением составляет всего миллисекунды,
comparing is only milliseconds,
и поэтому его очень трудно измерить.
and so it's really hard to measure.
Теперь у нас есть атомы вместо 100 метров в секунду,
Now we've got atoms instead of 100 meters per second,
они меньше одного сантиметра в секунду.
they're less than one centimeter per second.
Сколько часов вы можете сделать?
What o'clock can you make?
Ответ таков: часов вообще нет,
The answer is, no clock at all
потому что атомы падали, как камни.
because the atoms dropped like stones.
Если у вас есть что-то, что
If you've got something that is
движется только со скоростью один сантиметр в секунду,
only moving at one centimeter per second,
оно просто пойдет почти прямо вниз.
it's just is going to go almost straight down.
Это то, что сделали бы атомы.
That's what the atoms would do.
Но, к счастью, много лет назад
But fortunately, many years ago,
ключевую идею придумал парень по имени Джеррольд Захариас из Массачусетского технологического института.
a guy named Jerrold Zacharias at MIT had the key idea.
Он сказал, что, если бы у нас были медленные атомы?
He said, what if we had slow atoms?
Что, если мы запустим
What if we launch
эти атомы через микроволновую полость?
those atoms up through the microwave cavity?
Они поднимаются на метр или пару метров
They go up a meter or a couple of meters,
и возвращаются вниз
and they come back down
через секунду или пару секунд,
after a second or a couple of seconds,
и у нас будет очень долгое время,
and we'll have this really long time,
и мы сделаем действительно отличные часы.
and we'll make a really great clock.
Но это никогда не срабатывало для Захарии, потому что у
But it never worked for Zacharias because he
него не было медленных атомов. Но теперь мы делаем.
didn't have slow atoms. But now we do.
В экспериментах, которые Стив Чу проводил в Стэнфорде, а мы
In experiments that Steve Chu did at Stanford that we
проводили с коллегами в Париже,
did with colleagues in Paris,
мы создали первые часы-основатель,
we made the first founding clocks,
и теперь эти часы
and now those clocks are
показывают время для всего мира.
keeping time for the entire world.
Вот Стив Джеффертс и
Here are Steve Jefferts,
Дон Микхоф в лаборатории атомных часов Национального института стандартов и
Dawn Meekhof at the atomic clock labs
технологий в Боулдере, штат Колорадо.
at NIST in Boulder, Colorado.
Здесь они охлаждают атомы цезия до температуры ниже микрокельвина.
They cool cesium atoms down to below a micro kelvin here.
Они подбрасывают их в вакууме,
They toss them up in the vacuum,
они возвращаются обратно через секунду,
they come back down after a second,
а точность этих часов составляет примерно часть 10^16.
and these clocks are good to about a part in 10^16.
Это соответствует одной секунде в 300 миллионов лет.
That corresponds to one second in 300 million years.
Но что, если вы хотите, чтобы
But what if you want to make
эти атомы
these atoms hang around
зависали даже дольше одной секунды?
for even longer than the one second?
Вы получаете, подбрасывая их
You get by tossing them up
на метр вверх и заставляя их опускаться.
a meter and having them come down.
Что, если мы захотим поместить их в коробку в контейнере?
What if we want to put them in a box in a container?
Какой контейнер подойдет?
What container would work?
Ну, вы не можете использовать горячий контейнер,
Well, you can't use a hot container
потому что это нагреет атомы.
because it would heat the atoms up.
Вы не можете использовать холодный контейнер,
You can't use a cold container
потому что атомы будут прилипать к нему.
because the atoms would stick to it.
Вы не можете использовать какой-либо
You can't use any container at
контейнер, сделанный из материала.
all that's made out of material.
Мы используем контейнер, сделанный из магнитных полей.
We use a container that's made out of magnetic fields.
Эта небольшая демонстрация иллюстрирует это.
This little demonstration illustrates that.
Эта штука - волчок,
This thing is a spinning top,
а это волчок, раскручивает его.
and this is a spinner, spins it up.
Это большой магнит.
This is a big magnet.
Магнит давит на верхнюю часть,
The magnet pushes up on the top to keep
удерживая его в пространстве,
it held in space
не касаясь его. Итак, запускаем фильм.
without anything touching it. So let's run the movie.
Мы крутим его. Теперь я
We're spinning it. Now I'm going
собираюсь поднять его до точки,
to lift it to the point where
где вертикальная
the vertical force of
сила магнитного поля компенсирует
the magnetic field cancels out
гравитацию, и тогда эта штука будет плавать.
gravity and then this thing floats.
Эти ученики средней школы были впечатлены.
These middle school students were impressed.
Я провел под ним рукой,
I passed my hand under it
чтобы показать, что его ничто не держит.
to show that there's nothing holding it up.
На самом деле именно так мы ловим наши атомы, потому что
This is actually how we trap our atoms because
наши атомы подобны маленьким крошечным вращающимся магнитам,
our atoms are like little tiny spinning magnets,
как эта штука.
just like this thing.
Но затем я говорю: ну, любой фокусник
But then I say, well, any magician
может левитировать женщину, а затем надеть
can levitate a woman and then pass
на нее кольцо, которое
a ring around her that
тщательно избегает удерживающих ее проводов.
carefully avoids the wires that are holding her up.
Но вы никогда не увидите, чтобы фокусник делал это.
But you never see a magician do this.
Вы видите, что ничто не держит эту штуку.
You see there's nothing holding this thing up.
Это реальная сделка.
This is the real deal.
Это удерживается магнитным полем,
This is being held up by a magnetic field,
и именно так мы удерживаем наши атомы.
and that's how we hold up our atoms.
Это была игрушечная версия.
Now that was the toy version.
Вот настоящие атомы.
Here is the actual atoms.
Это шарик
This is a ball
из атомов цезия около двух миллиметров в поперечнике,
of cesium atoms about two millimeters across,
охлажденный примерно до микрокельвина,
cooled down to about a microkelvin,
и он подпрыгивает в этой магнитной ловушке.
and it's bouncing around in this magnetic trap.
Потому что мы выпускаем немного не по центру,
Because we release a little bit off-center so
чтобы он подпрыгивал.
that it bounces around.
Вы замечаете, что со временем
You notice that as time goes on,
он исчезает, потому что вакуум не идеален.
it fades out and that's because the vacuum isn't perfect.
Мы получаем туда еще несколько атомов,
We get some more atoms in there,
они исчезают примерно через
they fade away after about a
секунду из-за несовершенного вакуума,
second because of the imperfect vacuum,
и это был первый эксперимент,
and so that was the first experiment
который мы провели с этой конкретной магнитной ловушкой.
that we did with this particular magnetic trap.
Мы узнали, как сделать пылесос лучше.
We learned how to make the vacuum better.
Мы научились другим способам ловли.
We learned other ways of trapping.
Стив Чу сделал первую оптическую ловушку,
Steve Chu made the first optical trap,
мы сделали первую оптическую патоку.
we made the first optical molasses.
Дэйв Уайнленд в нашей лаборатории в Боулдере,
Dave Wineland in our labs in Boulder,
штат Колорадо, улавливает одиночные ионы.
Colorado traps single ions.
Хартвуд Хафнер здесь, в Беркли, также
Heartwood Hafner here at Berkeley is also
улавливает заряженные атомы и ионы.
trapping charged atoms and ions.
Джун Йе в наших лабораториях в Боулдере
Jun Ye in our Boulder laboratories
улавливает атомы стронция и смотрит
traps strontium atoms and looks at
на переход в оптической
a transition in the optical region of
области частотного спектра, близкого к 10^15 герц,
the frequency spectrum close to 10^15 hertz,
и делает часы с точностью до двух частей в 10^18.
and makes a clock that is good to two parts in 10^18.
Дэйв Вайнленд, глядя на один ион алюминия,
Dave Wineland, looking at a single aluminum ion,
делает лучше, чем часть в 10^18,
does better than a part in 10^18,
девять частей в 10^19.
nine parts in 10^19.
Это лучше, чем
This is better than
одна секунда в возрасте Вселенной.
one second in the age of the universe.
Это качество в лаборатории,
This quality at a lab
такой как Национальный институт стандартов и технологий
like the National Institute of Standards and Technology,
, агентство правительства Соединенных Штатов,
an agency of the United States government,
это то, что мы называем достаточно близким для
this is what we call close enough for
правительственной работы, и это не останавливается на достигнутом.
government work and it doesn't stop there.
Мои коллеги из NIST в Боулдере
My colleagues out at NIST in Boulder,
добились еще большего успеха с
have done even better with
этими атомами стронция 8 раз 10^ минус 21.
these strontium atoms 8 times 10^ minus 21.
Это означает, что они могут определить разницу
This means they can tell the difference in
в гравитационном красном смещении, которую
the gravitational redshift that
Эйнштейн предсказал в 1920-х годах.
Einstein predicted in the 1920s.
При перепаде высот менее одного миллиметра.
For a height difference of less than one millimeter.
Что ж, улавливание атомов
Well, trapping atoms has
открыло все эти захватывающие возможности,
opened up all these exciting avenues,
включая вещи, помимо больших часов, и опять же,
including things besides great clocks and again,
это предлагает еще одну связь с
it offers another connection to
Эйнштейном с другим способом охлаждения вещей.
Einstein with another way of cooling things.
Это система охлаждения, которую вы
It's a cooling system that you
уже хорошо понимаете.
already understand very well.
Если ваш кофе слишком горячий,
If your coffee is too hot,
вы дуете на него. Что творится?
you blow on it. What's happening?
Происходит то , что молекулы
What's happening is the water molecules that
воды с наибольшей энергией
are most energetic leave
покидают поверхность кофе, а это означает, что
the surface of the coffee and that means that
то, что осталось, имеет более низкую среднюю энергию, а
what's left behind has a lower average energy,
это означает, что оно холоднее.
which means it's colder.
Вот как вы охлаждаете кофе.
That's how you cool coffee.
Точно так же мы охлаждаем атомы.
We cool atoms in the same way.
Мы держим атомы в ловушке,
We hold the atoms in a trap,
мы позволяем наиболее энергичным атомам убежать,
we allow the most energetic of the atoms to escape,
и атомы становятся холоднее.
and the atoms get colder.
Они становятся настолько холодными, что могут
They get so cold that they can
делать то, что сам Эйнштейн считал безумием.
do something that Einstein himself thought was crazy.
Еще в 1924 году он предсказал,
Back in 1924, he predicted that
что определенный газ
a certain gas of
атомов, таких как атомы натрия или атомы рубидия,
atoms like sodium atoms or rubidium atoms,
очень распространенные,
very common, if
если сделать их достаточно холодными и достаточно плотными,
you got them cold enough and dense enough,
произойдет нечто удивительное.
something amazing would happen.
Большая часть атомов просто перестала бы двигаться.
A large fraction of the atoms would simply stop moving.
Теперь оказывается, что они не перестают двигаться
Now it turns out they don't stop moving
из-за принципа неопределенности Гейзенберга.
because of Heisenberg's uncertainty principle.
Но Эйнштейн тогда не знал о
But Einstein didn't know about
принципе неопределенности Гейзенберга,
Heisenberg's uncertainty principle back then,
а когда он о нем не знал, он ему не очень нравился.
and when he didn't know about it, didn't much like it.
Но дело в том, что сегодня мы бы сказали,
But the point is that today we would say that
что атомы переходят в самое низкое энергетическое состояние,
the atoms go into the lowest possible energy state
которое допускает квантовая механика.
that quantum mechanics allows.
Затем, более чем через 70 лет после предсказания Эйнштейна,
Then over 70 years after Einstein's prediction,
команды из NIST в Боулдере,
teams at NIST in Boulder,
штат Колорадо, и из Массачусетского технологического института в Кембридже, штат Массачусетс, сделали это.
Colorado and at MIT in Cambridge, Massachusetts did it.
Они получили сверххолодный газ,
They got a super cold gas,
достаточно холодный с использованием испарительного
cold enough using evaporative
охлаждения после первого лазерного охлаждения.
cooling after first laser cooling it.
Эти ребята, Эрик Корнелл и Карл Виман в
These guys, Eric Cornell and Carl Wieman in
Боулдере и Вольфганг Кеттерле в Массачусетском технологическом институте,
Boulder and Wolfgang Ketterle at MIT,
охлаждали газ в Боулдере,
cooled gas in Boulder,
это были атомы рубидия.
it was rubidium atoms.
Это распределение скоростей, которое они
This is the velocity distribution that they
измерили при температуре 400 нанокельвинов,
measured when the temperature was 400 nanokelvin,
поэтому ниже миллионной доли градуса,
so below a millionth of a degree,
слишком горячая сталь, она
too hot steel, it
дает такое хорошее широкое распределение скоростей.
produces this nice broad velocity distribution.
Но когда они снизились до 200 нанокельвинов,
But when they got down to 200 nanokelvin,
возникает этот огромный пик.
this huge peak comes up.
Это атомы , которые двигаются так
That's the atoms that are moving as
мало, как позволяет квантовая механика,
little as quantum mechanics allows,
и по мере их дальнейшего охлаждения
and as they cooled it even further,
эта остаточная широкая часть почти исчезает,
this residual broad part almost disappear,
так что вот газ с температурой около 50 нанокельвинов,
so that here is a gas at about 50 nanokelvins,
а для многих целей он выглядит как 0 кельвинов.
and for many purposes it looks like 0 kelvin.
Сейчас мы подходим к концу.
We're coming to the end now.
Мы были в одиссее,
We've been on an odyssey
чтобы добраться до все более и более низких температур,
to get to lower and lower temperatures,
и эта одиссея проиллюстрирована
and that odyssey is illustrated
здесь в этом логарифмическом термометре,
here in this logarithmic thermometer,
и под логарифмическим я имею в виду, что
and by logarithmic I mean,
каждая отметка на термометре представляет,
each tick mark on the thermometer represents,
в этом случае, коэффициент 10, изменяющий температуру. температура.
in this case, a factor of 10 changing the temperature.
Мы начинаем здесь, на поверхности солнца.
We start off here at the surface of the sun.
Это не самая горячая вещь,
It's not the hottest thing there is,
но довольно горячая,
but it's pretty hot,
6000 градусов, комнатная температура, 300 градусов.
6,000 degrees, room temperature, 300 degrees.
Я хочу, чтобы вы заметили, что в этом масштабе
I want you to notice that on this scale,
комнатная температура лишь немного
room temperature is just a little bit
холоднее, чем поверхность солнца и жидкого азота,
colder than the surface of the sun and liquid nitrogen,
самая холодная вещь, которую вы когда-либо видели,
the coldest thing you've ever seen,
она лишь немного холоднее комнатной температуры.
it's just a little bit colder than room temperature.
На самом деле космическое пространство,
In fact, outer space,
самая холодная естественная температура
the coldest natural temperature,
, лишь немногим холоднее, чем жидкий азот.
is just a little bit colder than liquid nitrogen.
Немного холоднее на
A little bit colder on the surface of
поверхности Солнца по сравнению с этой температурной шкалой.
the sun compared to this temperature scale.
Первые измерения с
The first measurements with
оптической патокой при температуре 240 микрокельвинов
optical molasses at 240 microkelvin
были холоднее, чем в открытом космосе.
were colder than outer space.
Более чем в открытом космосе
By more than outer space is
холодно по сравнению с
cold compared to the temperature of
температурой Солнца, и это было только начало.
the sun and that was just the beginning.
Я не объяснил, что означает сизифово охлаждение.
I haven't explained what sisyphus cooling means.
Вот как мы добираемся до этих невероятно низких температур.
It's how we get to these incredibly low temperatures.
Продолжайте сбивать температуру.
Keep pushing the temperature down.
К 2003 году конденсаты Бозе-
By 2003, Bose-Einstein condensates
Эйнштейна охлаждались до 500 пикокельвинов.
were being cooled down to 500 picokelvin.
Недавно, получив пару
Recently, getting a couple of
секунд почти невесомости в башне падения,
seconds of near zero gravity in a drop tower,
эти ребята в Германии
these guys over in Germany have
снизили температуру до 38 пикокельвинов.
gotten down to 38 picokelvin.
Но мы надеемся, что в космосе проводились эксперименты,
But we're hoping there was experiments in space,
мы снизим их до одного пикокельвина.
we're getting it down to one picokelvin.
Там, где мы сейчас находимся, в
Where we are right now is a
триллион раз холоднее комнатной температуры,
trillion times colder than room temperature,
и Хольгер Мюллер с нетерпением ждет возможности провести
and Holger Müller is looking forward to doing
эти эксперименты в космосе с
these experiments in space with
этими действительно невероятно холодными атомами,
these really incredibly cold atoms,
чтобы сделать то, что мы просто не можем себе представить на Земле.
to do things that we just can't imagine doing on Earth.
Ну что нам все это дало?
Well, what has all this given us?
Лучшие часы в
The best clocks in
национальных лабораториях по всему миру
national laboratories all over the world,
используют для измерения времени атомы с лазерным охлаждением.
they're using laser cooled atoms to keep time.
Эти атомы используются для
Those atoms are being used to
улучшения нашей способности осуществлять навигацию и
improve our ability to do navigation and
только начинают улучшать нашу способность
just beginning to improve our ability to
измерять то, что происходит
measure what's going on
с гравитационным полем на Земле.
with the gravity field on the Earth.
Мы используем эти атомы, чтобы проверить, действительно
We're using these atoms to test whether
ли фундаментальные константы постоянны,
the fundamental constants are really constant,
и такие люди, как Хольгер Мюллер,
and people like Holger Müller are
используют атомную интерферометрию для измерения таких вещей,
using atom interferometry to measure things like
как ускорение силы тяжести или
the acceleration of gravity or
гравитационная постоянная Ньютона и другие
Newton's gravitational constant and other
фундаментальные константы, квантовые компьютеры.
fundamental constants, quantum computers.
Я хотел бы провести час,
I'd love to spend an hour
рассказывая вам о квантовых компьютерах.
telling you about quantum computers.
Эти вещи настолько удивительны.
These things are so amazing.
Квантовые компьютеры больше отличаются
Quantum computers are more different
от вашего высококлассного ноутбука,
from your high-end laptop,
чем этот ноутбук от древних счетов.
then that laptop is from the ancient Abacus.
Вот насколько удивительны эти квантовые компьютеры
That's how amazing these quantum computers
, и многие из этих квантовых компьютеров
are and a lot of those quantum computers are being
создаются с использованием атомов, охлаждаемых лазером,
made with laser cooled atoms
и вещей, о которых мы даже не думали.
and things that we haven't even thought of yet.
Может быть, некоторые из молодых людей, которые слушают
Maybe some of the young people who are listening
сегодня , поймут это.
today will be the ones who figure this out.
Самые важные и самые невероятные вещи.
The most important and most incredible things.
Вот фотография некоторых молодых людей, которые
Here is a picture of some of the young people who have
присоединились к нам несколько лет назад,
joined us a few years ago
чтобы продолжить это приключение холодных атомов.
to pursue this adventure of cold atoms.
Есть люди со всего мира,
There are people from all over the world,
со всех концов Соединенных Штатов.
from all over the United States.
Я просто хочу отметить Трея Порто и Спилмана,
I just want to point out Trey Porto and Spielman,
Гретхен Кэмпбелл и Полетт,
Gretchen Campbell and Paulette,
которые являются постоянными членами группы лазерного охлаждения,
who are permanent members of the laser cooling group,
и на этом мы подходим к концу.
and so we come to the end.
Но на самом деле это не конец, потому что
But it's not really the end because there's
всегда можно узнать что-то новое . Спасибо большое.
always something new to learn. Thank you very much.
Я был просто поражен , услышав из первых уст
I was just amazed to hear firsthand
эту невероятную историю
this incredible story of
о проблеме, начавшейся сотни лет назад,
a problem starts as hundreds of years ago,
возможно, это проблема долготы,
perhaps that's a longitude problem,
готовящейся в вашем собственном ВАРКе
gearing up in your own VARK towards
к открытию лазерного охлаждения.
the discovery of laser cooling.
Но каково это видеть, что
But what is it like to see that
вы все ближе и ближе приближаетесь к тому, чего хотите?
you're edging closer and closer to where you want to be?
Есть ли момент да,
Is there a moment of yes,
я разобрался или есть медленное уменьшение сомнений.
I figured it out or is there slow reduction of doubt.
Как это?
How is it like?
Я думаю, у многих людей
I think a lot of people
была идея, что наука продвигается вперед
had this idea that science advances
через моменты озарения, и в какой-то степени это правда.
through eureka moments and it's true to some extent.
Но мой опыт
But my experience has been
показывает, что это очень тяжелая работа, когда,
that it's a lot of really hard work where
наконец, вы понимаете, что
finally you have figured out what's
происходит, и можете
going on and you can
переходить к следующему этапу.
then move on to the next stage.
Возьмем, к примеру, низкие температуры,
For example, take the low temperatures,
что было поистине революционным открытием,
which was really a revolutionary discovery,
тот факт, что температуры оказались
the fact that the temperatures were
не такими, как предсказывала теория.
not what the theory had predicted.
Когда мы впервые увидели это,
When we first saw that,
нашей первой реакцией было:
our first reaction was,
мы сделали что-то не так.
we've done something wrong.
Нам лучше понять, что мы делаем не так.
We better figure out what we're doing wrong.
Мы придумали все эти эксперименты, чтобы
We devised all these experiments to
попытаться выяснить, что мы делаем
try to figure out what we were doing
неправильно, и когда мы не могли понять, что мы делаем неправильно,
wrong and when we couldn't see what we were doing wrong,
тогда до нас начало доходить
then it started to dawn on
, что, возможно, мы были правы, и, возможно,
us that maybe we were right and maybe
температура была действительно низкой, и тогда мы
the temperature was really low and then we
подумал, что нам лучше постараться,
thought we better try really
чтобы увидеть,
harder to see whether
не делаем ли мы что-то не так, потому что никто
we're doing something wrong because no one's
не поверит нам, если мы скажем
going to believe us if we tell
им, что температура такая низкая.
them that the temperature is this low.
Потому что я разговаривал со многими людьми до
Because I talked to a lot of people before
того, как мы провели эти эксперименты, и все
we did these experiments and everybody
уверяли меня, что невозможно
assured me that there was no way
that you could possibly get
получить температуру ниже, чем
a temperature lower than
то, что мы сейчас называем доплеровским пределом охлаждения.
what we now call the Doppler cooling limit.
Мы должны были быть очень осторожными,
We had to be really careful,
и поэтому были месяцы работы, когда мы должны были
and so there was months of work when we had to make
убедиться, что иначе просто не могло быть,
sure that there was just no way it could be otherwise,
и затем, наконец, мы просто медленно, мало-
and then finally, we just slowly, little by little,
помалу становились все более и более уверенными,
gotten more and more confidence,
достаточно уверенность в том, что мы были готовы опубликовать.
enough confidence that we were ready to publish.
Потому что мы сначала не публиковали.
Because we didn't first publish.
Сначала мы позвонили
What we first did was we called
нашим друзьям в Париж и сказали:
our friends in Paris and said,
вы знаете, что это происходит?
you know it's happening?
Это безумие. Вы должны думать об этом,
This is crazy. You got to think about it
чтобы понять, что происходит, и они это сделали.
to figure out what is going on and they did.
Следующий вопрос
The next question is from
на самом деле от Кайла из Австралии,
Kyle in Australia actually
и он простой и понятный.
and it is plain and simple.
Какие самые прочные атомные часы когда-либо были созданы?
What is the strongest atomic clock ever made?
Что ж, под «самыми сильными атомными часами»
Well, by strongest atomic clock,
я
I'm going to interpret that to mean
подразумеваю лучшие атомные часы, а
the best atomic clock as
не самые надежные атомные часы,
opposed to the most robust atomic clock,
и мы могли бы поговорить и об этом.
and we could talk about that as well.
Одна из вещей, которые произошли в NIST, это то, что
One of the things that happened at NIST is,
они научились делать действительно хорошие часы,
they learned how to make clocks that are really good,
которые находятся на чипе,
that are on a chip,
так что настоящие атомные
so the actual atomic clock is
часы размером с рисовое зернышко, и
the size of a grain of rice and there's
есть еще кое-
a little bit more stuff
что, что нужно сделать. быть для электроники и лазеров и прочее,
that has to be for the electronics and lasers and stuff,
но это действительно мало.
but the thing is really small.
Эти вещи сейчас
These things are now being made by
производятся коммерческой компанией и используются в полевых условиях.
a commercial company and they're being used in the field.
Эти вещи действительно крепкие.
These things are really robust.
Солдаты могут носить эти вещи с собой.
Soldiers can carry these things around.
Но что
But as far as
касается самых прочных атомных часов, это может быть ответом.
the toughest atomic clock that may be the answer.
Они не супер хороши,
They're not super good,
но они отличаются от 10 до 12, за что
but they're apart in 10 to the 12 which is the thing that
мы платим 100 000 долларов за лабораторную штуку, которая
we pay $100,000 for in a laboratory thing that
идет в спутники,
goes into the satellites
и это не стоит и близко к
and it doesn't cost anywhere close to that for
этой действительно компактной версии. .
this really compact version.
Но все же обратимся к лучшим.
But anyway let's go to the best ones.
Лучшие из них,
The best ones are,
ну, они конкурируют, потому что они почти одинаковы.
well, they're competing because they are almost the same.
Отдельные ионы
The single ions and
и ион — это всего лишь заряженный атом
an ion is just a charged atom
или массив в оптической
or an array in an optical lattice
решетке отдельных атомов, которые иногда удерживаются в
of individual atoms that are sometimes held in
отдельных узлах решетки, а иногда позволяют немного
individual lattice sites and sometimes allowed to
взаимодействовать друг с другом, потому
communicate a little bit with each other because
что они удерживаются в плоскостях.
they're held in planes.
Эти атомные часы измерены, чтобы быть точными.
These atomic clocks are measured to be accurate.
Теперь, что я подразумеваю под точным?
Now what do I mean by accurate?
Я имею в виду, что они
What I mean is that they're giving
дают истинную атомную
the true atomic frequency
частоту примерно от 10 до 18.
to about a part in 10 to the 18th.
Это потрясающе.
Now, that's amazing.
Я не был уверен, что доживу
I wasn't sure that I was going to live
до того, чтобы увидеть часы, которые были хороши для того, чтобы быть частью от 10 до 18.
to see clocks that were good to be part in 10 to the 18.
Часть от 10 до 18
A part in 10 to the 18
составляет около секунды в возрасте Вселенной.
is about a second in the age of the universe.
Но это не конец истории.
But that's not the end of the story.
Часы идут лучше каждый
The clocks are getting better every
раз, когда вы открываете [неразборчиво] письма,
time you open [inaudible] letters it
кажется, кто-то добился некоторого прогресса в часах.
seems somebody's made some advancement in clocks.
Я упомянул часы, которые были хороши
I mentioned clocks that were good
с точностью от 10 до 21.
to parts in 10 to the 21.
Теперь это часы, которые могут
Now these are clocks where they can
различать
tell the difference between
две части облака
two sections of the cloud of
атомов с
atoms with a precision
точностью, скажем, от 10 до 20.
of let's say a part in 10 to the 20th.
Это не означает, что они
That doesn't mean they're
точны до части от 10 до 20-й.
accurate to a part in 10 to the 20th.
Это означает, что они стабильны и что вы
What it means is that they're stable and that you
можете точно измерить частоту ,
can measure the frequency that precisely,
но это не означает, что она обязательно будет правильной.
but it doesn't mean it's necessarily exactly right.
Вы должны сделать кучу других вещей, чтобы
You got to do a bunch of other things to
убедиться, что частота точно правильная.
make sure the frequency is exactly right.
Но это говорит вам о том, что вы находитесь в дороге,
But what it tells you is that you're on the road,
что вы, вероятно, можете
that you probably can
сделать часы, которые хорошо показывают часть от 10 до 20-го.
make a clock that's good to a part in 10 to the 20th.
Ответ на вопрос, какие часы лучше,
The answer to what's the best clock,
они постоянно меняются, потому что люди
it keeps changing because people
продолжают работать и становятся все лучше и лучше.
keep working and they keep getting better and better.
В
There's a woman at
лаборатории национальных стандартов в Германии есть женщина
the national standards laboratory in Germany,
, PTB, и она соединяет цепочку ионов вместе,
the PTB and she's putting a string of ions together,
так что у нее больше ионов, и у нее
so she's got more ions and she's
есть преимущество
got the advantage of having
иметь один ион, но поскольку они
a single ion but because they're in
в цепочке, они не разговаривают. слишком сильно друг к другу,
a string they don't talk to each other too much,
но у вас больше ионов , а это означает, что вы получаете
but you've got more ions so that means you get
больше сигнала, который вы
more signal which you can make
можете лучше измерить, и
a better measurement and
поэтому это выглядит действительно хорошо, и ионы действительно
so that's looking really good and the ions are really
фантастические, потому что вы получаете только один ион, и он настолько
fantastic because you get just one ion and it's so
изолирован, что все работает так
isolated that everything just works out so
хорошо, и это становится только лучше,
well and this just keeps getting better,
это так захватывающе.
it's just so exciting.
Следующий вопрос: насколько холодной на самом
The next one is how cold actually does
деле становится Вселенная в конце инфляции?
the universe get at the end of inflation?
Снова один из тех, которые могут быть замечательными,
Again one of those that might be great
но, может быть, вы что- то знаете об этом?
but maybe you know something about that?
Я не. Я не знаю,
I don't. I don't know what
какая температура в конце надувания,
the temperature is at the end of inflation
но я почти уверен, что она все еще очень горячая.
but I'm pretty sure it's still really hot.
Я говорю это потому, что помню то,
I say that because the thing that I do remember is,
что примерно через 400 000 лет после Большого
that about 400,000 years after the Big Bang,
взрыва инфляция происходит очень рано.
an inflation happens really early.
400 000 лет были бы одинаковыми, сказал бы я,
The 400,000 years would be the same whether I
что это было после Большого Взрыва
said it was after the Big Bang
или после окончания инфляции.
or after the end of inflation.
Потому что инфляция происходит довольно рано.
Because the inflation happens quite early.
Эти 400 000 лет — это время, когда Вселенная
That 400,000 years is when the universe has
достаточно остыла, чтобы плазма, которая у
cooled down enough that the plasma that
вас была, состоящая в основном из протонов и
you had which is mainly protons and
электронов, стала достаточно холодной , чтобы вы
electrons is cold enough that you
могли формировать атомы, и
can form atoms and
именно тогда Вселенная стала прозрачной.
that's when the universe becomes transparent.
Когда мы оглядываемся назад, что мы и делаем,
When we look back which we do by
имея телескопы, которые могут смотреть все дальше и дальше.
having telescopes that can look further and further away.
Это как оглянуться назад в историю, и это
It's like looking back in history and this is
телескоп Джеймса Уэбба, который только что поднялся, и он
James Webb telescope that just went up it's going
позволит нам заглянуть все дальше и дальше в прошлое.
to allow us to look further and further back.
Когда мы оглядываемся назад, самое далекое, что
When we look back the furthest
мы можем оглянуться, это примерно на 400 000 лет
we can look back is to about 400,000 years
после Большого Взрыва, потому что после
after the Big Bang because after
этого Вселенная была непрозрачной, потому что
that the universe was opaque because it
это была плазма заряженных протонов и
was this plasma of charged protons and
заряженных электронов, а свет
charged electrons and light
не проходит через такую
doesn't get through that kind of a medium.
ду. Только когда все становится достаточно холодным,
Only when things got cold enough that
чтобы тепловая энергия была ниже, чем энергия,
the thermal energy was lower than the energy
необходимая для отрыва электрона от
required to pop an electron off of
атома водорода, когда тепловая энергия становилась ниже
a hydrogen atom when the thermal energy got lower than
, тогда вы могли формировать атомы водорода, и
that then you could form hydrogen atoms and then
тогда Вселенная прозрачна, как и большинство газов.
the universe is transparent as most gases are.
Но плазма — это газ , который не прозрачен.
But a plasma is a gas that is not transparent.
Не знаю, что ответить,
I don't know what the answer is,
но было очень жарко.
but it was really hot.
Это все что-то вроде того, что я помню.
That's all something like I remember.
Давайте перейдем к большему.
Let's move to more.
Вот один из них
Here's actually one by
Джозефа Робинсона из Южной Австралии.
Joseph Robinson from South Australia.
Кажется, что здесь есть люди из низов.
There seem to be some people from down on that here.
Можно ли получить миниатюрные атомные часы?
Is it possible to get a miniature atomic clock?
Да и ответ да.
Yeah and the answer is yes.
Эти
These things that I was talking
вещи размером с рисовое зерно, о
about that are only as big as a grain of
которых я говорил, производятся на коммерческой основе.
rice are being made commercially.
Теперь вся упаковка больше, чем
Now the whole package is bigger than a grain
рисовое зернышко, но да,
of rice but yes,
миниатюрные атомные часы абсолютно точно.
miniature atomic clocks absolutely.
Я не знаю,
I don't know whether
должен ли я это говорить, но мы с Хольгером
I should say this but Holger and I are on
в группе пытаемся подумать о
a panel trying to think about
том, что мы должны делать в космосе в течение следующих 10 лет.
what we should be doing in space for the next 10 years.
Одна из вещей, которая нас очень беспокоит,
One of the things that we're very concerned about
— запуск атомных часов в космос.
is putting atomic clocks into space.
Если мы собираемся отправить в космос атомные часы,
If we're going to put atomic clocks into space,
мы не сможем разместить целую лабораторию.
we can't put a whole laboratory.
Когда вы видите эти атомные часы, которые
When you see these atomic clocks that are
отсчитывают время от 10 до 18,
doing a part in 10 to the 18
это похоже на целую лабораторию.
this is like a whole laboratory.
Мы должны взять те вещи, которые мы знаем, как делать,
We got to take those things which we know how to do,
я имею в виду, что мы знаем, как сделать
I mean we know how to make a
лабораторию полной оборудования,
laboratory full of equipment,
мы должны сделать это в компактном корпусе.
we've got to make that into a compact package.
Возможно, он не должен опускаться до рисового зернышка,
It might not have to go down to a grain of rice,
но, вероятно, должен опускаться
but it probably has to go down to
до упаковки, которая выглядит примерно так.
a package that looks something like this.
У нас есть не только миниатюрные атомные часы,
Not only do we have miniature atomic clocks,
мы постоянно работаем над тем, чтобы
we're working all the time to make
сделать лучшие атомные часы меньше.
the better atomic clocks smaller.
Так всегда бывает, меньше, лучше.
This is what always happens, smaller, better.
Именно так
This is the way technology
технологии развивались долгое время.
has progressed for a long time.
Посмотрите на свои компьютеры, подумайте
Look at your computers, think
о том, какими были компьютеры, когда я был мальчиком.
about what computers were like when I was a boy.
Они заполнили всю комнату, и они не были
They filled a whole room and they weren't
такими мощными, как ваши часы, не
as powerful as your watch,
говоря уже о вашем мобильном телефоне.
let alone your cell phone.
Теперь у нас есть эти штуки
Now we have these things that
, такие большие и удивительно мощные компьютеры.
it's that big and it's an amazingly powerful computer.
Вот так и будет с атомными часами.
Well that's the way it's going to go with atomic clocks.
Я нисколько не сомневаюсь.
I have no doubt at all.
Вот один, который на самом деле может
Here's one that might actually
быть задан аспирантом,
be asked by a grad student,
но он хороший.
but it's a nice one.
Какие вещи могут стать возможными, если мы остынем
What are some things that can become possible if we cool
до одного пико Кельвина, и это из Прайм Беркли.
to one pico Kelvin and that's from Prime Berkeley.
Да. На самом деле я должен
Yeah. Well actually I should
заставить вас ответить на этот вопрос, потому что я
make you answer that question because I
думаю, что вы один из тех, кто собирается
think you're one of the people who's going to make
наилучшим образом использовать облако атомов при температуре в один пико Кельвина.
the best use of a cloud of atoms at one pico Kelvin.
Прелесть одного пико-Кельвина в том, что атомы
The beauty of one pico Kelvin is that the atoms will
не будут сильно рассредоточены, а просто останутся там.
not spread out very much as you just have them sit there.
Проблема в том, что если бы вы делали это на Земле,
Now the trouble is if you were doing this on Earth,
то атомы, конечно же, не распространялись бы
the atom sure enough wouldn't spread out
очень сильно, но падали бы, как камни.
very much but they would fall like rocks.
Но если вы в космосе, то нет.
But if you're in space then they don't.
Почему бы вам не сказать несколько слов о том, что вы хотели
Why don't you say a few words about what you would like
бы сделать с облаком атомов в один пико Кельвина.
to do with a one pico Kelvin cloud of atoms.
Я не могу сделать лучше, чем вы,
I cannot do better than you will,
но я скажу точно,
but I will say exactly,
речь идет о распространении,
it's about spreading out so on
поэтому наземные эксперименты с
the ground experiments with
атомами ограничены двумя способами.
atoms are limited in two ways.
Во-первых, они падают на дно.
The first thing is they fall to the bottom.
Эта проблема исчезнет, если вы отправитесь в ко�
That problem is gone if you go to
мос по очевидным пр�
space as for obvious reasons.
чинам. Но другая проблема заключается в том, что даже если ваш образец
But the other problem is even if your sample
не падает, он все равно термически распределяется.
doesn't fall it's still spreads out thermally.
Мы говорим о микрокельвинах.
We're talking microkelvins.
Микрокельвины означают, что атомы движутся настолько медленно, что вы можете
Microkelvins means the atoms move so slow that you can
удобно работать с ними, может быть, в течение 10-й секунды,
work with them conveniently maybe for a 10th of a second,
может быть, в течение секунды.
maybe for a second.
Затем мы говорили о нано Кельвине.
Then we've been talking about nano Kelvin.
То есть в 30 раз медленнее.
That means 30 times slower.
Теперь вы можете поработать с ними пару секунд.
Now you can work with them for a couple of seconds.
Но при пико Кельвина теоретически,
But at a pico Kelvin, theoretically,
если бы все остальные технологии
if all the other technology
улучшились настолько, насколько нам нужно,
improved as much as we need to,
мы могли бы работать с ними в течение нескольких минут.
we could work with them for minutes.
Атом со скоростью пико Кельвина в космической лаборатории
An atom at a pico Kelvin in a space-borne laboratory
будет поддерживать квантовое состояние намного
would keep the quantum state alive much
дольше, чем то, что мы можем сделать сейчас на Земле,
longer than what we can do now on Earth,
это был бы один из ответов.
that would be one answer.
Но я думаю, хотя они действительно
But I think though they really want
хотят услышать от вас, а не от меня,
to hear from you and not from me,
они могут сделать это в любой день,
they can do that any day
так что давайте переключимся на следующий.
so let's switch to the next one.
Можно ли использовать достаточно сильное магнитное поле
Could one use a strong enough magnetic field
для охлаждения атомов.
to cool atoms.
Мы часто используем магнитные поля
We often use magnetic fields in
в процессе охлаждения атомов,
the process of cooling the atoms
но это не магнитные поля
but it's not the magnetic fields
как таковые, которые охлаждают,
per se that do the cooling
и иногда, когда мы используем магнитные поля
and sometimes when we do use magnetic fields
непосредственно для охлаждения атомов, мы получаем
directly to cool atoms it's
не делая их сильными, а
not by making them strong it's by
делая их слабыми. вещи холодные.
making them weak that we get things cold.
Позвольте мне объяснить, что я имею в виду.
Let me explain what I mean.
Один из способов, которым мы начинаем
One of the ways in which we start to
охлаждать атомы, заключается в том, что мы начинаем с атомного пучка атомов,
cool atoms is we start with an atomic beam of atoms
и они движутся очень быстро,
and they're going really fast
может быть, 500 метров в секунду, иногда
maybe 500 meters per second sometimes
1000 метров в секунду, и мы должны замедлить их
1,000 meters per second and we have to slow them
, и мы замедляем их атомы. движется сюда,
down and we slow them down atoms is moving this way,
лазерный луч идет туда
laser beam going this way,
, атомы поглощают лазерный луч и замедляются.
the atoms absorb the laser beam and slow down.
Проблема в том , что после того, как они
Now the trouble with that is that after they absorb
поглотили несколько сотен фотонов, они не сильно замедлились.
a few 100 photons they haven't slowed down very much.
Им приходится поглощать десятки тысяч
They have to absorb tens of thousands of
фотонов, чтобы замедлиться настолько, чтобы быть полезными для нас,
photons to slow down enough to be useful to us,
но после поглощения всего 100 фотонов
but after absorbing just a 100 photons
они замедляются настолько сильно,
they've slowed down so much that
что доплеровский сдвиг выводит
the Doppler shift takes
их из резонанса с лазерным лучом.
them out of resonance with the laser beam.
Мы можем использовать магнитное поле, чтобы
We can use a magnetic field to
компенсировать этот эффект, и эта штука называется zameon
compensate that effect and this thing is called a zameon
slower или zameon cooler, и это позволяет нам перемещать
slower or the zameon cooler and that allows us to get
атомы в
the atoms down to
то место, где мы можем начать использовать некоторые другие приемы,
the place that we can start to use some other tricks,
такие как направление лазерных лучей внутрь. со
like bringing the laser beams in from
всех сторон, и мы делаем это.
all directions and we do that.
Затем одна из вещей, которую
Then one of the things
мы делаем, и мы не всегда делаем одно и то же, —
we do and we don't always do the same thing,
мы можем сбрасывать эти атомы
we can then dump those atoms into
в магнитную ловушку после того, как охладим их.
a magnetic trap after we cool them off.
Теперь они не нагреваются и не охлаждаются,
Now they don't heat or cool,
потому что у магнитной ловушки
because the magnetic trap has
есть замечательная особенность , которую мы называем безвредной,
this wonderful feature that it is what we call benign,
она не нагревает атомы.
it doesn't heat the atoms up.
Это также не охлаждает их, но это означает, что мы можем хранить их
It doesn't cool them either but it means we can keep them
в течение длительного времени, и они останутся холодными
for a long time and they will stay cold,
, если мы достаточно осторожны.
as long as we're reasonably careful.
Но вот прелесть, если я сделаю эту ловушку слабее,
But here's the beauty, if I make that trap weaker,
то облако атомов будет расширяться
then the atom cloud will expand
и в процессе расширения остывать.
and in the process of expanding it will cool down.
Возможно, вы слышали термин адиабатическое расширение.
You might have heard the term adiabatic expansion.
Если вы, допустим, у вас
If you, let's say you've got some
есть аэрозольный баллончик, и вы
a spray can and you spray
распыляете то, что находится внутри баллончика
the stuff that's inside the can
, он выходит холодным.
it's cold when it comes out.
Это потому, что он сжат внутри банки,
That's because it's compressed inside the can,
когда вы его выпускаете, он расширяется, и
when you let it out it expands and
этот процесс расширения охлаждает его.
that process of expansion cools it down.
Это потому, что в каком-то
It's because in a sense
смысле энергия атомов используется, чтобы
the energy of the atoms is used to push
отталкивать то, что
against the thing that's
расширяется, и оно совершает над
expanding and it does some work on
ним некоторую работу, уменьшая его энергию.
it and that reduces its energy.
Но изучите термодинамику, и вы все поймете.
But study thermodynamics and you'll understand it all.
Это адиабатическое расширение позволяет нам
That adiabatic expansion allows us
еще больше охладить атомы, и знаете что?
to cool the atoms even more and you know what?
В космосе он будет работать еще лучше.
It's going to work even better in space.
Ну, есть трюк, который мы используем.
Well, there's a trick that we use.
Это почти как адиабатическое расширение.
It's almost like adiabatic expansion.
Это не будет иметь никакого смысла.
It's not going to make any sense.
Это называется дельта-охлаждение.
It's called Delta kick cooling.
Чтобы не соврать,
Just to not tell a lie,
это почти как
it's almost like
адиабатическое расширение, только работает быстрее.
adiabatic expansion, except it works faster.
Он действительно охлаждает атомы,
It gets the atoms really cold,
но делает вещи слабее, а
but by making things weaker,
не сильнее.
not by making them stronger.
Калеб, тоже из Австралии, спрашивает,
Caleb, also from Australia, asks,
невозможно ли заставить
is it completely impossible to make
атом оставаться совершенно неподвижным?
an atom to stay completely still?
Ответ на этот вопрос: да,
The answer to that is, yes,
невозможно заставить атом оставаться совершенно неподвижным.
it's impossible to make an atom stay completely still.
Ответ прост: это
The simple answer is it's
из-за принципа неопределенности Гейзенберга.
because of Heisenberg's uncertainty principle.
Что же
Now, what does
говорит нам принцип неопределенности Гейзенберга?
Heisenberg's uncertainty principle tell us?
В нем говорится, что неопределенность, которую
It says that the uncertainty that
мы испытываем в том, где что-то находится,
we have in where something is,
умножается на неопределенность, которую мы
times the uncertainty we
испытываем в отношении его импульса. Каков его импульс?
have in its momentum. What is its momentum?
Это масса, умноженная на его скорость.
It's mass times its velocity.
В основном, это неопределенность в скорости.
Basically, it's the uncertainty in the velocity.
Но чтобы получить правильные единицы,
But to get the right units,
мы должны умножить на массу.
we have to multiply by the mass.
Произведение этих двух неопределенностей
The product of those two uncertainties,
, неопределенности положения,
the uncertainty in position where it is,
умноженное на неопределенность импульса, скорости движения
times the uncertainty in momentum,
how fast it's going,
, никогда не может быть меньше постоянной Планка.
that product can never be smaller than Planck's constant.
На самом деле это постоянная Планка,
It's actually Planck's constant
деленная на 4Pi, но это не имеет значения.
divided by 4Pi, but that doesn't matter.
Другими словами, существует наименьшее число
In other words, there's a smallest number
, которым может быть этот продукт.
that that product can be.
Теперь предположим, что атом точно покоился.
Now, let's say that the atom was exactly at rest.
Тогда это будет означать, что у нас будет
Then that would mean that we would have
нулевая неопределенность в отношении того, где она находится.
zero uncertainty in where it is.
Потому что я должен
Because I've got to have
получить произведение неопределенности скорости, умноженной
the product of the uncertainty in the velocity times
на неопределенность положения.
the uncertainty in the position.
Произведение этих двух неопределенностей
The product of those two uncertainties
всегда должно быть
has always got to be
больше этой величины, постоянной Планка.
bigger than this quantity, Planck's constant.
Если одна из неопределенностей равна нулю,
If one of the uncertainties is zero,
то другая должна быть очень большой.
the other one better be really big.
Оно должно быть бесконечным, а этого не может
It has to be infinite, and it can't
быть, потому что где-то находится наш атом.
be because our atom is somewhere.
Мы знаем, что он внутри нашего аппарата.
We know that it's inside our apparatus.
Обычно мы знаем, что он находится внутри ловушки,
Usually, we know that it's inside a trap,
and so there's no way that
поэтому скорость атома не может быть равна нулю.
the velocity of the atom can be zero.
Это всегда должно быть какое-то ненулевое число.
It always has to be some non-zero number.
Вот красота экспериментов, которые мы делаем.
Now, here's the beauty of the experiments we do.
Мы обычно получаем эту неопределенность
We routinely get that uncertainty
в скорости атома, как
in the atom's velocity to be,
раз то, что сказал Гейзенберг
just what Heisenberg said,
, минимальная неопределенность, которая может быть.
the minimum uncertainty could be.
Тот факт, что мы на самом деле получаем их как
The fact that we actually get them to be
можно меньше, просто поразителен.
the minimum possible, that's astounding.
Когда я начал это делать,
When I started doing this,
это было мечтой,
that was a dream,
никто не мог себе представить, что такое можно сделать.
nobody imagined you could do that.
Теперь, благодаря таким людям, как Эрик Корнелл,
Now, because of people like Eric Cornell,
мы делаем это регулярно.
we do it routinely.
Это восхитительно. Это
That's amazing. Those were
были вещи, которые Гейзенберг и Шредингер
the things that Heisenberg and Schrodinger,
100 лет назад
100 years ago,
воспринимали как сумасшедшие
felt off as the crazy predictions
предсказания рутины квантовой механики.
of quantum mechanics routine.
Теперь есть два вопроса
Now, there are two questions
о фундаментальных ограничениях,
about fundamental limitations,
и я собираюсь задать их все сразу,
and I'm going to ask them all at once,
чтобы вам было сложнее.
to make it harder for you.
Первый
The first is about
касается ограничений точности часов.
the limitations on the accuracy of clocks.
По одной из оценок, фотону требуется
One estimate is that it takes
10 ^ минус 24 секунды, чтобы пересечь протон.
10^negative 24 seconds for a photon to cross a proton.
Это фундаментальный предел для часов.
That's a fundamental limit on clocks.
Во-вторых, вы думаете, что фемто или
The other is, do you think that femto or
даже аттокельвин станут возможными.
even attokelvin, they'll become possible.
Я не вижу никаких причин, по которым время, которое
I don't see any reason why the time that it takes
требуется фотону, чтобы пересечь протон, может иметь
a photon to cross a proton would have
какое-либо отношение к фундаментальной точности часов.
anything to do with the fundamental accuracy of a clock.
На самом деле, то, что вы хотите
In fact, what you want to
получить с высокой точностью часов, — это долгое, а не короткое время.
get high clock accuracy is long times, not short times.
Как правило, когда вы делаете часы
Typically, when you make a clock,
, качество часов — это то, что
the quality of the clock is something that is
видно после того, как вы усредните их в течение очень долгого времени.
seen after you average for a very long time.
На что вы надеетесь, так это на то, что в
What you hope is that,
течение того очень долгого времени, которое вы усредняете,
during that very long time that you average,
что-то еще не пойдет не так
something else doesn't go wrong,
, как всегда.
which it always does.
Это
It's those things
те вещи, которые ограничивают качество часов,
that are the things that limit how good the clocks are,
это вещи, которые постоянно идут
is the things that are constantly going
не так, и вы должны контролировать их в своей лаборатории.
wrong that you have to control in your laboratory.
Предположим, что температура в
Let's say that the temperature of
вашей лаборатории немного изменилась.
your laboratory changes by a tiny bit.
Получается, что часы смещаются.
It turns out that shifts the clock.
Вы должны начать контролировать температуру
You've got to start controlling the temperature of
вашей лаборатории до миллиградусов.
your laboratory to millidegrees.
Итак, мы никогда не думали, когда начинали это дело,
Now, we never thought when we started this thing that,
что это станет проблемой.
that was going to be an issue.
На самом деле, когда я впервые начал работать над этим материалом,
In fact, when I first started working on this stuff,
мы даже не думали об этом.
it wasn't even something we thought about.
Мы даже не думали, что
We didn't even think about
температура в лаборатории
the temperature of the laboratory
влияет на ход часов.
as being something that affects the clock.
Но сейчас это действительно важная функция.
But now, it's a really important feature.
Он заботится обо всех тех мелочах,
It's taking care of all of those little things
которые влияют на точность часов.
that affect the accuracy of the clock.
Я что-то забыл, Хольгер?
Now, is there something I'm forgetting, Holger?
Не хотели бы вы
Would you like to chime
присоединиться к этому вопросу о том, существуют ли какие-
in on this thing about whether there's
то другие фундаментальные ограничения точности часов?
some other fundamental limits to the accuracy of a clock?
Есть один, который не столь фундаментален,
There is one that isn't as fundamental,
конечно, для нас , живущих на земле.
certainly for us, that are living on the ground.
Но на самом деле это тема следующего вопроса.
But that's actually the subject of the next question.
Ну, может быть, давайте спросим об этом сейчас.
Well, maybe let's ask that now.
Влияет ли на наш поток атомов
Do our atomic flux
изменение скорости Земли?
affected due to the change in the Earth's velocity?
Ответ: да,
The answer is, yes,
и это еще хуже.
and it's even worse than that.
Происходит так много забавных мелочей.
There's so many funny little things that are happening.
Мы живем на вращающейся почти сфере.
We live on a rotating almost sphere.
У нас есть лаборатории, которые находятся на
We have laboratories that are at
разной высоте над центром этой сферы.
different heights above the center of that sphere.
Он вращается, а это означает, что скорость
It's rotating, so that means the velocity of
любой данной лаборатории в принципе
any given laboratory is
будет отличаться
going to be different, in principle,
от скорости какой-либо другой лаборатории, находящейся
from the velocity of some other laboratory that's at
на другой широте или на другой высоте.
a different latitude or at a different altitude.
Частично это потому, что они двигаются.
Part of that is because they're moving.
Есть релятивистское замедление времени
There's a relativistic time dilation,
и есть доплеровские сдвиги.
and there's Doppler shifts.
Вы должны принять во внимание все эти вещи,
You have to take all those things into
если хотите сравнить
account if you want to compare
два часа, которые находятся в разных местах на Земле.
two clocks that are at different places on the Earth.
Теперь оказывается, что мы достаточно хорошо знаем, как
Now, it turns out that we know how
это сделать,
to do that reasonably well,
но есть еще одно,
but there's another one,
и это гравитационное поле.
and that's the gravitational field.
Я думаю, что именно здесь вы
I think this is where you
действительно попадаете в беду из-за того, что
really get into trouble that comes
живете на вращающейся сфере.
from living on a rotating sphere.
Он не только вращается, но и притягивается.
Not just that it's rotating, but gravitating.
Одна из вещей, о которой я не говорил,
One of the things that I didn't talk about,
может быть, я немного намекал на нее,
maybe I alluded to it a little bit,
заключалась в том, что в 1923, 24 году
was that in 1923, '24,
Эйнштейн сказал нам, что часы будут идти
Einstein told us that clocks will run
медленнее, когда их
slower when they are
гравитационный потенциал ниже.
lower in the gravitational potential.
Часы на уровне моря идут
A clock at sea level runs
медленнее, чем часы в горах,
slower than a clock up in the mountains,
скажем, в Боулдере, штат Колорадо.
say in Boulder, Colorado.
Когда я только начал работать в NIST в 1978 году
When I first started at NIST in 1978,
, лучшие часы в мире
the best clocks in the world
были точны с точностью до 10^13.
were good to a part in 10^13.
Ну, есть только один из них,
Well, there's only one of them,
и это было в Боулдере, штат Колорадо.
and it was in Boulder, Colorado.
Если бы у вас были похожие часы на уровне моря,
If you'd had a similar clock at sea level,
то способность сравнивать эти две вещи была бы
then the ability to compare the two things would be at
примерно на 1 1/2 части от минус 13 для двух часов.
about 1 1/2 parts to the negative 13 for the two clocks.
Речь шла о
That was about the difference in
разнице хода часов между уровнем моря и Боулдером.
the clock rate between sea level and Boulder.
Это было примерно 1 1/2 части в 10^13.
It was about 1 1/2 parts in 10^13.
Никто не беспокоился об этом, потому что вы
Nobody worried about it because you
не могли этого увидеть.
couldn't possibly see it.
Сегодня то, что вы можете увидеть, меньше миллиметра.
Today, what you can see is less than a millimeter.
Конечно, причина в том, что часы идут намного
Of course, the reason is because clocks cut so much
лучше на много порядков,
better by many orders of magnitude,
но это означает, что теперь мы должны беспокоиться о
but what it means is, we now have to worry about
гравитации так, как раньше не делали.
gravity in a way that we did not before.
Кто-то вроде Джун Е в Боулдере, который
Somebody like, Jun Ye in Boulder who wants
хочет сравнить свои часы
to compare his clock
с кем-то на гораздо более низкой высоте,
to somebody at a much lower altitude,
скажем, в Брауншвейге в PTB
let's say in Braunschweig at the PTB,
или в Париже,
or in Paris at,
я забыл, как лаборатория
I forget what the laboratory
называется во Франции.
is called in France.
Но в любом случае, где бы ни находились эти лаборатории,
But anyway, wherever those laboratories are,
они должны учитывать тот факт,
they have to account for the fact that
что гравитационный потенциал разный.
the gravitational potential is different.
Поскольку лаборатории Боулдера
Because the Boulder laboratories
находятся рядом с этими горами,
are right next to these mountains,
и они не знают точного
and they don't know what exactly the
состава гор,
composition of the mountains is,
сделать такую поправку очень сл�
it's very difficult to make that correction.
жно. Если бы вы были, вероятно, в центре Айовы,
If you were probably in the middle of Iowa,
возможно, это было бы не так сложно.
maybe it wouldn't be so hard.
Но в Боулдере,
But in Boulder,
рядом с горами, это не так просто.
right next to the mountains, it's not so easy.
Это не значит, что они не
Now, that doesn't mean they're not going to be able
смогут этого сделать, потому что у нас есть
to do it because we've got
спутники, измеряющие гравитационное поле.
satellites that are measuring the gravitational field.
Теперь мы можем использовать часы для
We can now use clocks to
определения гравитационного потенциала,
map out the gravitational potential,
так что над всеми этими вещами ведется работа.
so all these things are being worked on.
Но сейчас у нас глобальное потепление
But now, we've got global warming
и уровень моря повышается.
and the sea level is rising.
Что вообще значит быть на уровне моря?
What does it even mean to be at sea level?
Я даже не знаю ответа на этот вопрос.
I don't even know the answer to that question.
Но нам придется это выяснить, потому что
But we're going to have to figure it out because
мы должны определить, что мы подразумеваем под временем.
we have to define what we mean by time.
Сегодня мы определяем время как нахождение на уровне моря,
Today, we define time to be at sea level,
но это определение было сделано,
but that definition was made
когда мы не беспокоились о глобальном потеплении.
when we weren't worrying about global warming.
Может быть, нам придется отправить наши часы в космос.
Maybe we're going to have to put our clocks in space.
Может быть, контрольная точка
Maybe the reference point
должна быть в одной из,
is going to have to be at one of,
вы, наверное, слышали об
you've probably heard of
этих точках Лагранжа, потому что именно
these Lagrange points because this is
туда направляется телескоп Джеймса Уэбба .
where the James Webb Telescope is going.
Это место, где гравитация Земли
It's a place where Earth's gravity
не полностью компенсирует гравитацию Солнца,
doesn't exactly cancel out the sun's gravity,
но компенсирует ее настолько, что
but it cancels it out enough so that
телескоп Уэбба вращается
the Webb Telescope rotates
вокруг Солнца с той же скоростью, что и Земля.
around the sun at the same rate that the Earth does.
Это компенсирует дополнительное изменение гравитации, которое
It cancels out the extra change in gravity that
имеет телескоп Джеймса Уэбба, потому что он находится дальше.
the James Webb Telescope has because it's further away.
Но в любом случае, дело в том,
But anyway, the point is that,
что это очень особые точки
these are very special points
, которые не будут столь
that are not going to be so
чувствительны к перераспределению масс на Земле,
sensitive to redistributions of masses on the Earth,
о чем люди и мечтают.
and so people are dreaming about that.
Я не думаю, что кто-то знает, как мы собираемся это сделать,
I don't think anybody knows how we're going to do this,
но когда вы начинаете говорить
but when you start to talk
о вещах, относящихся к уровню 10^18,
about things that the part in 10^18 level,
вы должны быть осторожны со всеми этими вещами.
you've got to be careful about all these things.
Оказывается, скорости важны,
It turns out that velocities are important,
но эти другие вещи, которые имеют отношение к нам,
but these other things that have to do with us,
живущим на этой тяготеющей сфере, еще хуже.
living on this gravitating sphere, are even worse.
Давайте сделаем это последней кнопкой,
Let's make this the final button,
и это может быть прямо
and that could be straight out
из панели НАСА, о которой вы упомянули.
of the NASA panel that you mentioned.
Если современные часы так чувствительны к гравитации,
If current clocks are so sensitive to gravity,
можно ли их использовать для обнаружения гравитационных волн?
could they be used to detect gravitational waves?
Ответ: да.
The answer is, yes.
Это одна из вещей, которые я нахожу такими удивительными.
This is one of the things that I find so amazing.
Пару десятков лет назад
A couple of decades ago,
люди задавали тот же вопрос, и ответ был отрицательным.
people asked the same question and the answer was, no.
Теперь ответ: да.
Now, the answer is, yes.
Ну, это спросил Билл в Таллахасси.
Well, that was asked by Bill in Tallahassee.
Вы могли наблюдать за группой НАСА,
You might have been observing the NASA panel,
Билл, той, что в Таллахасси.
Bill, the one that Tallahassee.
Здорово. Один комментарий
Great. One comment from
из аудитории, который я здесь вижу, звучит так: отличная лекция.
the audience that I see here is, great lecture.
Большое спасибо, и я не могу сказать это лучше для нас.
Thanks so much, and I cannot say it any better for us.
Что ж, это было приятно,
Well, it's been a pleasure and
и вопросы были фантастическими.
the questions have been fantastic.