RW Space

Время жизненно важно для нашей повседневной жизни: от часов на запястьях до систем GPS в наших телефонах.

Системы связи, электросети и финансовые операции — все зависит от точного времени. Секунды — важнейшие единицы измерения времени.

Удивительно, но до сих пор ведутся споры по поводу определения секунды. второй. Но недавние достижения в области самых точных в мире форм хронометража, возможно, только что изменили правила игры.

Точный хронометраж всегда были частью социальной эволюции человечества. В неолитическом памятнике Ньюгрейндж в Ирландии специальное отверстие над входом позволяет солнечному свету освещать проход и камеру в самые короткие дни в году, примерно 21 декабря, в день зимнего солнцестояния.

Около 2300 лет назад Аристотель сказал, что «революция внешней сферы небес» должна быть эталоном для измерения времени. . Греческий философ считал, что космос состоит из концентрических сфер с Землей в центре.

Водяные часы, появившиеся около 2000 г. до н.э., являются одними из старейших инструментов для измерения времени. Они делают это, регулируя поток воды в сосуд или из него. Механические часы были созданы в конце 13 века.

Вплоть до 1967 года секунда определялась как 1/86 400 дня, с двадцатью четырьмя часами в сутках, шестьюдесятью минутами в часе и 60 секундами в минуте (24 х 60 х 60 = 86 400).

Международная система единиц затем изменила ситуацию, остановившись на этом определении:

Второе… определяется путем принятия… частоты перехода атома цезия-133 равной 9 192 631 770, если выразить ее в единицах Гц, что равно s⁻¹ .

Если вы запутались, позвольте мне уточнить. В основе этого определения лежит так называемая частота перехода. Переход происходит, когда электроны в атоме поглощают энергию и переходят на более высокий энергетический уровень, возвращаясь через некоторое время в расслабленное состояние.

В каждом такте во-вторых, специфический переход электрона цезия-133 происходит 9 192 631 770 раз. Это стало мерилом измерения времени. На сегодняшний день цезий обеспечивает наиболее точное определение секунды, но его можно улучшить, используя более высокие частоты.

Чем выше частота перехода, тем меньше одна ошибка при считывании может нарушить общую точность. Если бы в секунду было пятьдесят переходов, цена ошибки в подсчете одного из них была бы в сто раз выше, чем если бы их было 5000.

Есть два ограничения в уменьшении этой ошибки: технологические проблемы измерения частот, особенно более высоких; и необходимость найти систему — атомы цезия-133 для второго — с измеримым высокочастотным переходом.

Чтобы измерить неизвестную частоту, ученые берут сигнал известной частоты (эталонный) и объединяют его с частотой, которую они хотят измерить. Разница между ними будет заключаться в новом сигнале с небольшой частотой, которую легко измерить: частоте биений.

Атомные часы используют этот метод для измерения частоты перехода атомов настолько точно, что они становятся стандартами для определения секунды. Чтобы достичь такой точности, ученым нужен надежный опорный сигнал, который они получают с помощью так называемой гребенки частот.

В частотной гребенке используются лазеры, излучаемые прерывистыми импульсами. Эти лучи содержат множество различных волн света, частоты которых равномерно распределены, как зубья расчески – отсюда и название.

В атомных часах гребенка частот используется для одновременной передачи энергии миллионам атомов, надеясь, что один из зубцов гребенки будет биться с частотой перехода атома.

Частотная гребенка с многочисленными, тонкими зубцами и правильным диапазоном частот увеличивает вероятность того, что это произойдет. Поэтому они являются ключом к достижению высокой точности измерений опорного сигнала.

От атомных к ядерным часам h2>

Как мы видели, второе определяется электронными переходами в атомах цезия. Переходы, происходящие с более низкой частотой, легче измерить. Но те, которые происходят на более высокой частоте, помогают повысить точность измерения.

Переходы цезия происходят примерно та же частота электромагнитного спектра, что и микроволны. Эти микроволновые частоты ниже, чем у видимого света.

Но в сентябре 2021 года ученые провели измерения с помощью элемент стронций, частота перехода которого выше, чем у цезия, и попадает в диапазон видимого света. Это открывает возможность переопределить секунду к 2030 году.

В сентябре 2024 года американские ученые сделали ключевые достижения в создании ядерных часов – шаг за пределы атомных часов. В отличие от атомных часов, переход, измеряемый этим новым устройством, происходит в ядре атома (отсюда и название), что придает ему еще более высокую частоту.

Торий-229, атом, использованный в этом исследовании, обеспечивает ядерный переход, который может возбуждаться ультрафиолетовым светом. Команда, работающая над ядерными часами, преодолела технологическую задачу создания частотной гребенки, работающей в относительно высоком диапазоне частот ультрафиолетового света.

Это был большой шаг вперед, поскольку ядерные переходы обычно становятся видимыми только на гораздо более высоких частотах – например, при гамма-излучении. Но мы пока не можем точно измерить переходы в гамма-диапазоне.

Переход атома тория имеет частота примерно в миллион раз выше, чем у атома цезия. Это означает, что, хотя они были измерены с меньшей точностью, чем современные стронциевые часы, они обещают новое поколение часов с гораздо более точным определением секунды.

Измерение времени с точностью до девятнадцатого знака после запятой, как это делают ядерные часы, позволило бы ученым изучать очень быстрые процессы. Представьте себе двух бегунов, которые финишировали вничью. Если бы в секундомере рефери было несколько лишних цифр, он смог бы определить победителя.

Аналогично, Общая теория относительности используется для изучения высокоскоростных процессов, которые могут привести к совпадению с квантовой механикой. Ядерные часы дадут нам технологию, необходимую для доказательства этих теорий.

На технологическом уровне точное позиционирование такие системы, как GPS, основаны на сложных вычислениях, требующих точных измерений времени, необходимого сигналу для перехода от одного устройства к спутнику и к другому устройству.

Лучшее определение секунды будет означать многое. более точный GPS. Возможно, время цезиевой секунды истекло, но за ней ждет целый новый мир.

Витторио Аита, научный сотрудник, факультет физики Королевского колледжа Лондона

Эта статья перепечатана из журнала The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.