Игорь Шумейко Нобелевская премия 1997 года была присуждена за открытие, главной сферой приложения которого явилась метрология, измерение времени. Филипса, Таунджи и Чу наградили за перенос запятой с 14 на 15-й знак в измеряемой доли секунды. Такая «передвижка» запятой позволила достичь какой-то нереальной и труднопредставимой погрешности в измерении времени – секунда в 15 миллионов лет.
Несколько сотен лет мы используем и совершенствуем маятниковые часы, и только в начале XX века Пуанкаре сформулировал свой знаменитый постулат: «Когда мы смотрим на маятник, замеряя время, мы косвенно подразумеваем, что одни и те же причины требуют одного и того же времени, чтобы произвести одни и те же эффекты». Пуанкаре заставил задуматься над ранее «очевидным», дал сигнал к погоне за Эталоном времени. Вот два важнейших для обсуждаемой темы понятия: Событие – независимый геометрический объект, точка в пространстве-времени, и Воспроизводимость.
Быстро выяснилось, что «истинные солнечные сутки, равные промежутку времени между двумя последовательными проходами Солнца через один и тот же меридиан», и соответственно все отмеряемые доли этого эталона недостаточно точны. Эллиптичность орбиты Земли дает неравномерность суток (это, впрочем, было известно еще Птолемею и устранялось через введение средних солнечных суток), но далее открыли и неравномерность вращения Земли вокруг собственной оси, и т.д. Я намеренно оставил скользкое выражение «недостаточно точны», чтобы спровоцировать вопрос: недостаточно/достаточно – для чего?
Развитие железнодорожного сообщения потребовало точного определения временной координаты, введения в 1870 г. часовых поясов. Радиосообщение. В 1910 г. первый радиосигнал пересек Атлантику и┘ принес (зафиксировал) ошибку в полторы секунды.
Вопрос равномерности дневного вращения Земли, то есть Воспроизводимости этого События, был полем проявления высших достижений человеческого гения. Например, Кант доказал замедление вращения Земли из-за потери энергии в приливных движениях океанов. (Кстати, строительство приливных гидростанций усилит этот процесс.)
Итак, до 1960-х годов секунда определялась как 1/86400 часть средних солнечных суток.
Идею, что частота излучения химического элемента может служить эталоном времени, первыми подали Максвелл и Кельвин за век до атомных часов. И вот здесь уже вклад российских ученых значителен и неоспорим. Лазеры и мазеры стали важнейшим практическим средством «гонки точности». Нобелевской премией Басова и Прохорова 1964 года за их разработку – мы смело можем обозначить начало процесса совершенно особой «атомной гонки» – не за мегатоннами, а за наносекундами.
В 1968 г. советский физик Владилен Летохов догадался, что атомы (он предложил щелочные металлы – с единственным электроном на внешней оболочке) могут быть поляризованы, пойманы в ловушку лазерным излучением, замедлены, охлаждены почти до абсолютного нуля. То есть для наблюдения переходов атомов «основное/возбужденное состояние» минимизируют их взаимодействие. Это лучше достигается в атомных пучках, «цезиевых фонтанах». А вот уж частота этих переходов неизменна и зависит только от фундаментальных физических констант. В сравнении с правильностью «мигания» атома вращение Земли – полный Хаос.
В 1967 г. мир принял вместо астрономической – атомную секунду, «промежуток, состоящий из 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями состояния атома Цезия-133». Итак, есть Достоверное, Воспроизводимое Событие длительностью 1/9 192 631 770 доли секунды.
Однако Эталон времени может вернуться на небеса. Пульсары (нейтронные звезды) испускают радиопучок в фиксированном направлении и при этом довольно правильно вращаются (вообразите вращение брошенного поливочного шланга). Попадание этого пучка на антенны дает точность 10–11. Новооткрытые миллисекундные пульсары (1,4 массы Солнца, упакованные в шар 20 км диаметра) дают уже 10–14. Но в перспективе – ответ щелочных металлов – Космосу. Новый скачок, замена цезия на рубидий, позволит, по мнению ученых, выйти на 10–16.
Практическая важность этой гонки? Нанотехнологии, плюс работающая с 1995 г. Глобальная Система Определения Положения, GPS. Двадцать спутников, оснащенных цезиевыми часами, фактически решили проблему ориентации любого объекта на Земле и в околоземном пространстве.
Советник директора Института метрологической службы Николай Попов вспоминает: «Во время обсуждения в 1992 году проекта Закона «О метрологии» депутаты путали нас с метеорологами. И после разъяснений грозили так пальчиками: «А, это вы там стрелки весной-осенью переводите?! Большой вред организму». Ну как тут объяснить, что 1,5 миллиона долларов требуется для создания российского цезиевого фонтана. Теперь их приходится закупать за рубежом. А ведь точность, например, измерения времени – это безопасность! Образно говоря, наши ракеты летают по чужим часам».
В мире семь важнейших физических единиц, соответственно семь эталонов. Время, секунда благодаря всем вышеописанным усилиям является наиболее удачно реализованной единицей. А если принять реальность существования фундаментальных физических констант, то можно через эти константы и время определить некоторые другие единицы. Так, в 1983 году через секунду и скорость света дали новое определение метра. Точность измерения секунды как бы перетекает в точность других единиц. Полностью, принципиально независимыми от Секунды остаются лишь Килограмм и Кельвин.
P.S.
Когда материал уже был готов к печати, пришло сообщение из Вены: австрийские ученые смогли наблюдать события, разделенные кратчайшим временным интервалом, который удалось зафиксировать за всю историю. Ференц Крауш и его коллеги из Технологического университета Вены с помощью вспышек лазерного света наблюдали за электронами, двигавшимися вокруг атомов, и смогли различить события, которые разделяло 100 аттосекунд (10–16 секунды). Исследователи полагают, что их методику можно доработать, чтобы она позволяла следить за событиями, разделенными десятками аттосекунд. Это поможет физикам следить за реорганизацией электронов в атоме при перемещении между разными орбитами.
