Время жизненно важно для функционирования нашей повседневной жизни: от часов на запястьях до систем GPS в наших телефонах. Системы связи, электросети и финансовые транзакции — все они зависят от точного времени. Секунды — это важнейшие единицы измерения в хронометрировании.
Удивительно, но до сих пор ведутся споры об определении секунды. Но недавние достижения в самых точных в мире формах измерения времени, возможно, просто изменили правила игры.
Точное измерение времени всегда было 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 года, около 21 декабря, в день зимнего солнцестояния.
Около 2300 лет назад Аристотель сказал , что «вращение самой внешней сферы небес» должно быть точкой отсчета для измерения времени. Греческий философ считал, что космос состоит из концентрических сфер, в центре которых находится Земля.
Водяные часы , которые появились около 2000 г. до н. э., являются одними из старейших приборов для измерения времени. Они делают это, регулируя поток воды в сосуд или из него. Механические часы были созданы в конце 13 века.
До 1967 года секунда определялась как 1/86400 дня, в сутках двадцать четыре часа, в часе шестьдесят минут и в минуте 60 секунд (24 x 60 x 60 = 86400). Международная система единиц затем изменила положение вещей, остановившись на следующем определении:
«Вторая… определяется путем взятия… частоты перехода атома цезия-133, которая составляет 9192631770, если выражать ее в единицах Гц, что равно с⁻¹».
Если вы запутались, позвольте мне объяснить. Ядро этого определения — это то, что называется частотой перехода. Переход происходит, когда электроны в атоме поглощают энергию и переходят на более высокий энергетический уровень, возвращаясь в расслабленное состояние через некоторое время. Это немного похоже на выпитую чашку кофе: у вас внезапно появляется больше энергии, пока действие кофеина не закончится. Частота — это ожидаемое количество раз, когда переход происходит за определенный период времени.
В каждом такте секунды определенный переход электрона цезия-133 происходит 9192631770 раз. Это стало мерой измерения времени. На сегодняшний день цезий обеспечивает наиболее точное определение секунды, но его можно улучшить, используя более высокие частоты.
Чем выше частота переходов, тем меньше одиночная ошибка может нарушить общую точность. Если бы было пятьдесят переходов в секунду, стоимость с точки зрения точности неправильного подсчета одного была бы в сто раз выше, чем если бы было 5000 переходов.
Существуют два ограничения для уменьшения этой погрешности: технологические сложности измерения частот, особенно высоких, и необходимость найти систему (атомы цезия-133 во втором случае) с измеримым высокочастотным переходом.
Чтобы измерить неизвестную частоту, ученые берут сигнал известной частоты — эталон — и объединяют его с частотой, которую они хотят измерить. Разница между ними будет новым сигналом с небольшой частотой, которую легко измерить: частотой биений.
Атомные часы используют эту технику для измерения частоты перехода атомов с такой точностью, что они становятся стандартами для определения секунды. Чтобы достичь такой точности, ученым нужен надежный опорный сигнал, который они получают с помощью так называемого частотного гребня .
Частотная гребенка использует лазеры, излучаемые прерывистыми импульсами. Эти лучи содержат много разных волн света, частоты которых равномерно распределены, как зубья гребня — отсюда и название.
В атомных часах частотная гребенка используется для передачи энергии миллионам атомов одновременно, в надежде, что один из зубцов гребенки будет биться с частотой перехода атома. Частотная гребенка, зубцы которой многочисленны, тонки и находятся в правильном диапазоне частот, увеличивает вероятность того, что это произойдет. Поэтому они являются ключом к достижению высокоточных измерений опорного сигнала.
