Знание-сила, 2005 № 09 (939)

Атомные наручники

«Ада» — бесподобный роман Владимира Набокова — во многом удивил и даже помучил своей обширной средней частью, в которой рассказывалось о природе времени. Герой романа Вин посвятил ее выяснению всю свою долгую профессиональную жизнь. Мучило же меня то, что я ничего из прочитанного не понял и чувствовал себя от этого полным дураком, что крайне неприятно.

Й только много позже, когда пришлось сталкиваться с чем-то подобным в других ситуациях, я понял, в чем суть проблемы. Как-то довелось читать номер «Нейшнл Джиогрэфик», посвященный изучению и измерению времени, в котором авторы просто и доходчиво донесли простую мысль: наука не знает, что есть время! А когда не знаешь, то и рассказываешь путано.

И вот ныне «Нейчур» в одном из первых январских номеров посвятил свою историко-тематическую вкладку знаменитому «Аннус Мирабиле» — «Чудесному Году» в жизни А. Эйнштейна, опубликовавшему в 1905 году свою изумительную серию из пяти статей (последняя вышла в начале 1906 года), которая обессмертила его имя. Авторитетный журнал считает, что гений Эйнштейна модифицировал систему предположений и допущений, лежавших в основе физики, что привело к изменению механистической картины ньютоновского мира.

Физика тем самым была поставлена с головы на ноги, родилось реальное, а не аберрантное физическое мышление, после чего стало возможно рождение квантовой физики. В какой-то мере история повторилась через полвека, когда биологическая наука после открытия Уотсона и Крика встала с головы белковой гипотезы на ноги ДНКовой природы гена, после чего и стало возможно рождение реальной биологии.

Конечно, со времен Эйнштейна мы знаем, что во Вселенной время интетрировано с пространством, в результате чего возникло неразрывное пространство-время, которое искривляется под влиянием больших гравитационных масс. Известно также, что при запредельных скоростях, приближающихся к околосветовым, время замедляется и при «провале» в черную дыру вообще останавливается. Но оперируя этим знанием, наука тем не менее ничего не говорит о том, что такое время.

А весь прогресс ее — суть повышение разрешающей способности измерений все более кратких мгновений времени. Дело уже дошло до атгосекундных лазерных импульсов, при которых секунда дробится на доли, равные 1C¹⁸. При таких длительностях импульса не то что молекула, атом «замораживается» в своем движении, что позволяет детально изучать переходы электронов с одного квантового уровня на другой.

Сегодня уже трудно представить себе мир без мобильников и интернета, которые невозможны без миниатюрных атомных «ловушек», где движение единиц материи затормаживается чуть ли не до нуля с помощью лазерного света. У заторможенного же атома легко измерить квантовый переход, или классический боровский «скачок» с одного уровня на другой. Скачки эти совершаются за строго определенные промежутки, что и явилось новым стандартом времени.

Первые «примитивные» атомные часы использовали для определения квантового перехода микроволновое излучение, длина волны которого составляет 3,2 сантиметра. Поэтому обычные «промышленные» атомные часы, стоящие ныне в самых разных национальных бюро и институтах стандартов, представляют собой довольно внушительное сооружение размером с большой платяной шкаф.

Точность хода этих часов такова, что ошибка в 1 секунду набегает «всего лишь» за 30 миллионов лет! Гораздо шире распространены более «примитивные» часы размером с коробку из под обуви. Точность их на 3 порядка ниже, но зато тысячи подобных часов весьма активно используются по всему миру — ее хватает для современных средств связи, FM-радио, а также передачи данных в сетях со многими пользователями.

Бегунов на 100 метров обязательно разделяют по дорожкам, иначе они в своем неудержимом стремлении к финишу переломают друг другу ноги. Стайеры же бегут свои 5 или 10 тысяч метров с гораздо меньшими скоростями, поэтому им можно бежать и в толпе.

Атомам же цезия в стандартных часах приходится выступать «в толпе». Цезий был выбран при создании атомных часов благодаря тому, что он довольно легко испаряется при невысокой температуре, но в то же время масса его атомов достаточно велика, чтобы атомы вели себя в «облаке» весьма достойно и сдержанно.

При воздействии на облако микроволнового излучения с частотой 10 гигагерц атомы поглощают его энергию, которая индуцирует — вызывает — переход электронов с одного квантового уровня на другой. В целом таких возможных уровней 16, но создателей часов волнует лишь два специфических с максимально возможной частотой перехода.

В цезиевых часах оптимальная частота выходного сигнала составляет 9192 631 770 герц. Это и есть атомный эталон времени. Можно еще сказать, что атомные часы делают такое вот огромное количество «тик-таков» в 1 секунду. Можно также добавить, что «разведение» двух указанных энергетических состояний достигается колебаниями слабого магнитного поля.

Размер атомных часов диктуется, как уже говорилось выше, длиной волны излучения в 3,2 сантиметра.

Эта длина налагает ограничение на возможную и желательную миниатюризацию атомных часов.

В силу естественных причин, прежде всего охлаждения атомного облака, точность хода атомных часов определяется двумя основными параметрами. Это прежде всего повышение уровня сигнала по отношению к фоновому «шуму», то есть чтобы полезный сигнал не «размывался». А это размывание ведет к «уходу» от оптимальной частоты, что и является вторым параметром.

Все эти квантовые сложности долгие десятилетия мешали физикам построить миниатюрные атомные часы, да к тому же и достаточно дешевые, что позволило бы двинуть атомный стандарт времени в широкие массы. Помощь пришла с совершенно неожиданной стороны, а именно из электроники.

Электронная промышленность довольно давно наладила успешное производство кремниевых «ваферов», или вафлей, представляющих собой круглый кремниевый кристалл диаметром со стандартный CD, из которого затем нарезаются миниатюрные чипы для часов, мобильников и других электронных устройств.

Новые атомные часы, описанные в журнале «Applied Physics Letters», являют собой самый настоящий шедевр сверхминиатюризации. В кремниевом квадратике со стороной 1,2 миллиметра и толщиной 0,375 миллиметра просверливается сквозной колодец со стороной 600 микрон, в который «помещается» цезиевое облако. Сверху и снизу он закрывается тоненькими стеклышками.

А далее, как в стандартном лазерном проигрывателе или бытовом DVD-плейере, цезий освещается лазером и начинает выдавать полезный тактовый сигнал с оптимальной частотой чуть более 9 гигагерц, точное значение которой приведено выше. Так получили атомные часы, энергопотребление которых составляет милливатты, что позволяет использовать для их питания стандартную батарейку.

Авторы, создавшие сей уникальный шедевр, сравнимый с подкованной Левшой блохой, поясняют, что конечно, точность их новых часов на порядки уступает часам-шкафу, которые дают секундную ошибку в 30 миллионов лет. Но зато стоимость новых «часиков» составляет даже сейчас всего лишь 120 долларов, а при массовой «штамповке» будет и того меньше. Зато какие возможности открываются для научных и бытовых электронных устройств!

Достаточно привести всего лишь один пример использования таких точных наручных часов, а именно в системе GPS - Global Positioning System — Системе глобального позиционирования, или определения местоположения. С новыми часами такая система станет доступной для каждого, причем точность определения места достигнет буквально миллиметров, а не метров, как сейчас.

Вот что может дать «ловля микрон» в таком важном деле, как измерение времени. Пусть оно хранит от нас свои тайны, но наука нашла способ обойти их и начать полномасштабную «эксплуатацию» четвертого измерения пространства-времени.