Атомные часы не вызывают сами по себе ненависти. Удовлетворительный результат дало лишь упоминание данного устройства в контексте релятивистского замедления времени в движущихся системах, на практике наблюдаемого, – и даже требующего непрерывного учёта, – в процессе синхронизации работы расположенных на Земле и на орбите устройств. Теория относительности действует на определённого рода умы безотказно, так что, в комментариях под статьёй о практическом её применении, можно найти много прекрасного, – о часах, которые «просто испортились», и о специально обученных людях, вручную с Земли корректирующих их показания для соответствия с теорией Эйнштейна... Но я это даже не скринил, потому что, среди прочего был задан и правильный вопрос.
А как атомные часы, вообще, работают?
...Интуитивной оказывается догадка, что «эталоном» может быть период полураспада. Всякому минимально сведущему в физике человеку именно такая мысль первой в голову придти и должна. Ведь вероятность распада нестабильного ядра в единицу времени в принципе не зависит от внешних факторов. Эта величина хитрым путём, но восходит прямо к мировым константам… И хотя кто-то будто бы вспомнит примеры того, что на распад ядер можно влиять, – это даже не «исключения». Просто одно и то же ядро может распадаться по разным сценариям, с разной, соответственно, вероятностью и результатами… Совершенно, однако, правомерно недоумение комментатора по поводу того, как «эталон» можно вытащить из потока случайных событий. Ведь, период полураспада – это только о вероятности.
...Можно. Но не нужно. Часы же, собственно, атомные, а не ядерные. Принцип там другой.
В основе устройства атомных часов такой же кварцевый резонатор, как и в часах наручных. Частота резонансных электромагнитных колебаний в куске кварца достаточно устойчива – для бытовых нужд, – но ошибка связанная с колебаниями температуры и другими факторами, всё-таки, очень велика. Соответственно, конкретно в атомных часах частота резонатора периодически сравнивается и приводится к эталону – частоте оптического излучения. Источником света, обычно, являются атомы цезия-133.
Хотя, это не единственный вариант. Упомянутая в заглавии точность в 1 секунду за 14 миллиардов лет характерна для часов на атоме (одном атоме) ртути. И это не предел, – сейчас такой точности уже не хватает, – так что, работы продолжаются. В перспективе атомные часы станут именно ядерными, – основанными на переходах ядра иттербия из одного метастабильного состояния в другое… Результатом чего также станет излучение электромагнитного кванта определённой энергии.
Строго определённой.
Суть в том, что принцип «никакая передача энергии не возможна без потерь» не работает в микромире. Там всё точно. Если возбуждать атом цезия, передавая ему энергию квантами, возбуждение будет сниматься, а энергия сбрасываться квантами же строго определённой массы… Правильный вопрос тут «чем определённой». В действительности много чем, так что, добиться полного единообразия можно лишь, выбирая не самые тривиальные атомы и подсвечивая их – «возбуждая» – достаточно хитрым образом.
Излучение цезия или ртути регистрируется спектрографом. Энергия же и частота у фотонов переводятся друг в друга одним действием арифметики. Данное измерение, как и любое, естественно, имеет погрешность, но последняя сводится к нужному уровню набором статистики.