Хотите, верьте, хотите нет, но вместо килограмма яблок или груш вы можете просить, чтобы вам продали нужное количество в секундах.
Современная цивилизация была бы невозможна без измерений, а измерения были бы бессмысленными, если бы во всём мире не использовали одни и те же единицы измерения. На протяжении долгих лет (почти 150) учёные-метрологи мира согласовывали строгие определения единиц измерения через Международное бюро мер и весов (BIPM), расположенное во Франции, недалеко от Парижа. В настоящее время BIPM регулирует семь основных единиц, которые управляют временем, длиной, массой, электрическим током, температурой, интенсивностью света и количеством вещества. Вместе эти единицы есть не что иное, как язык современной науки, техники и торговли.
Но учёные постоянно уточняют эти общепринятые стандарты. В 2018 году утвердили новые определения килограмма (массы), ампера (силы тока), кельвина (температуры) и моля (количества вещества). Звучит фантастически, но теперь, за исключением моля, все стандарты подчинены одному – времени. Метр, например, определяется как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458-ю долю секунды. Точно так же теперь определение килограмма основано на секунде и разобраться, как так, не то чтобы очень сложно.
Это означает, что теоретически, пусть и не всем окружающим будет понятно, вы можете определять вес или длину в секундах.
Наука не стоит на месте, теперь решили взяться за секунду и дать ей новое определение, правда, признавая, что вся архитектура глобальных измерений зависит от этой величины, её продолжительность обещают не менять. Заинтригованы? Тогда нырнём в историю вопроса.
Когда-то люди определяли время, глядя на небо. Но с 1967 года метрологи договорились определять время, измеряя процессы внутри атома, отсчитывая, красиво выражаясь, вечное сердцебиение Вселенной. Но время по-прежнему тесно связано с принципами его астрономического измерения. Первоначально время определяли по пути Земли в ее ежедневном вращении, от дня к ночи и обратно. В какой-то момент древнеегипетские астрономы, использовавшие двенадцатеричную систему счета (основанную на 12), разделили день и ночь на 12 часов каждый, что дало 24 часа в сутках.
Но часы различались по продолжительности в зависимости от того, где Земля находилась на своей орбите вокруг Солнца. Немногим более 2000 лет назад греческие астрономы, которым потребовались фиксированные величины для расчёта, например, движения Луны, предложили революционную идею – один день следует делить на 24 часа одинаковой продолжительности. То же самое «астрономическое» мышление привело их к тому, что древний вавилонский метод счета до 60 (шестидесятеричная система) применили к часам. Точно так же, как они разделили 360 градусов круга или сферы Земли на 60 частей или минут, они разделили каждую минуту на 60 секунд.
Первое деление суток (известное на латыни как partes minutae primae) дало им продолжительность минуты, которая составляла 1/1440-ю часть среднего солнечного дня. Второе деление (partes minutae secundae) дало им продолжительность – а заодно и название – секунды, которая составляла 1/86 400-ю часть дня. Фактически это определение просуществовало до 1967 года.
Но проблемы не исчезли. Земля постепенно замедляет свое суточное вращение; дни становятся немного длиннее, и астрономическая секунда тоже. Эти небольшие различия складываются. Пишут, что, основываясь на экстраполяции исторических затмений и других наблюдений, Земля как инструмент определения времени (как часы!) потеряла более трех часов за последние 2000 лет – для наручного хронометра не такой уж и плохой результат, но не годится для научного подхода.
Ведь так получается, что стандартная единица времени, основанная на астрономическом исчислении, непостоянна, и эта реальность становилась все более невыносимой для метрологов в первые десятилетия прошлого века, когда они обнаружили, насколько неравномерным было вращение Земли. А наука требует постоянства и надёжности. Как и время – к концу 1960-х общество все больше зависело от частот радиосигналов, которые требовали чрезвычайно точной синхронизации.
В век атома метрологи обратились к атому, точнее, к гораздо более предсказуемому движению атомных частиц. Атомы никогда не изнашиваются и не замедляются. Их свойства не меняются со временем. Идеальные часы. Встречайте цезий-133.
Цезий, серебристо-золотистый металл, жидкий при комнатной температуре, имеет тяжелые, медленные атомы, что означает, что их относительно легко отследить. Ученые поместили атомы цезия в вакуум и подвергли их воздействию энергии микроволн в невидимом диапазоне электромагнитного поля. Задача состояла в том, чтобы выяснить, какая длина волны или частота заставит как можно больше атомов цезия излучать пакет света или фотон. Фотоны улавливались детектором и подсчитывались. В итоге длина волны была обозначена как собственная резонансная частота атома.
Для простоты представьте себе маятник. Маятник, работающий в ритме, уникальном для этого типа атома. В случае с цезием-133 частота составляет 9 192 631 77 тактов в секунду. Длина секунды, используемая в эксперименте, была основана на продолжительности дня в 1957 году, когда проводились первоначальные научные эксперименты. К 1967 году метрологи из Бюро мер и весов установили резонансную частоту цезия-133 в качестве официальной длительности секунды.
Несмотря на это определение, основанное на цезии, астрономическое время и атомное время по-прежнему неразрывно связаны. Во-первых, атомное время иногда необходимо корректировать, чтобы оно соответствовало астрономическому времени, потому что Земля продолжает изменять свой темп с нерегулярной скоростью, в то время как атомное время остается постоянным. Когда атомное время становится почти на одну секунду быстрее, чем астрономическое время, хронометристы на мгновение останавливают его, позволяя Земле наверстать упущенное — они добавляют дополнительную секунду в год.
Таким образом, хотя продолжительность секунды не меняется, время от времени меняется продолжительность минуты. После первоначального добавления 10 дополнительных секунд в 1972 году хронометристы теперь добавляют дополнительную секунду к атомному времени примерно каждые полтора года.
Кроме того, как бы странно это ни звучало, мы до сих пор отсчитываем секунды эры 1957 года, даже с нашими современными атомными часами. Это связано с тем, что собственная резонансная частота цезия-133 была измерена в 1957 году и привязана к продолжительности астрономической секунды в том же году, и этот факт не изменится, даже если значение секунды будет переопределено еще раз.
Но если так, то зачем секунде новое определение? Всему виной очередное научное изобретение – оптические атомные часы. Они работают по тем же принципам, что и цезиевые часы, но измеряют атомы, которые имеют гораздо более высокую естественную резонансную частоту (условно, тиканье). Эти частоты находятся в видимом или оптическом диапазоне электромагнитного спектра, а не в микроволновом диапазоне, отсюда и название.
Существует несколько видов оптических часов, каждый из которых отсчитывает «тики» отдельного атома или иона — иттербия, стронция, ртути, алюминия и других.
Зачем, спрашивается, нужна ещё большая точность? Отчасти потому, что время – оно не само по себе; оно связано с гравитацией и массой и находится под их влиянием. Время (фанфары!) также не является постоянным, пусть и можно сделать такое предположение, зная о существовании международного стандарта. Теория относительности Альберта Эйнштейна, например, предполагает, что время движется медленнее, когда оно находится вблизи массивного тела, как планета, потому что оно замедляется под действием гравитации.
Это означает, что, если ход оптических часов изменится, пусть даже очень незначительно, физические условия, в которых находятся часы, также могут измениться. Говорят, способность считывать эти изменения открывает нам возможность обнаруживать с помощью оптических атомных часов такие объекты, как темная материя или гравитационные волны. Жуть, правда? Читайте далее.
В 2015 году американские физики только начинали разрабатывать свои оптические атомные часы, при этом их озадачил тот факт, что секунды отсчитывались немного по-разному в часах, которые находились в лабораториях, расположенных по разным адресам. Теория относительности в действии? Могут ли оптические часы реагировать на небольшие изменения гравитации? Заказали измерения разницы в высоте между лабораториями, где стояли часы, ведь, как и время, высота связана с гравитацией и массой. Часы действительно находились на разной высоте. Их слегка отличающиеся измерения времени улавливали незначительные изменения в гравитационном поле. Оптические часы, которые были всего на один сантиметр выше других, шли быстрее!
Предсказание Эйнштейна о том, что масса и гравитация делают со временем, на самом деле не такое уж невероятное. Осталось научиться использовать его на практике.
