Современный мир держится на атомных часах. Когда вы смотрите время на телефоне, компьютере или умных часах, когда пользуетесь GPS, летите в самолёте, покупаете акции или ищете что-то в интернете — всё это завязано на атомное время.
Любые часы состоят из двух частей: механизма, который колеблется с постоянным ритмом, и устройства, которое считает эти колебания и показывает время. У механических и кварцевых часов роль «маятника» играют человеческие творения: маятник напольных часов или кварцевый кристалл в наручных часах. Но они не идеальны: каждый экземпляр чуть отличается от другого, и все они дрейфуют, то есть один тик не равен следующему.
Атомы решают эту проблему. У них нет деталей, они не изнашиваются, не замедляются, и все атомы одного типа одинаковы. Квантовая физика говорит, что атомы поглощают и излучают свет только строго определённых частот. Если настроить свет на так называемую резонансную частоту атома, атом может поглотить энергию и совершить «квантовый скачок» — перейти в другое энергетическое состояние.
Чтобы сделать атомные часы, нужно изолировать отдельные атомы и подсветить их точно настроенным светом. Когда частота света приближается к резонансной, всё больше атомов поглощают энергию. По тому, сколько атомов это сделали, можно понять, что частота достигла нужного значения. А дальше остаётся посчитать гребни и впадины световых волн и превратить их в тики времени.
Сколько нужно колебаний для одной секунды? Для цезия — атома, который часто используют в часах, — это ровно 9 192 631 770 циклов. Именно такое количество колебаний света на резонансной частоте цезия официально определили как международную секунду в 1967 году.
Первые атомные часы построили в 1949 году в лаборатории Национального бюро стандартов в Вашингтоне (сейчас это NIST). Тогда они почти не превосходили обычные электронные часы. Но с тех пор технология ушла далеко вперёд. Сегодня лучшие атомные часы в миллиарды раз точнее любых других. Если бы они работали с самого Большого взрыва, то есть 13,8 миллиарда лет, они бы не ушли вперёд и не отстали больше чем на секунду.
Атомы сами по себе идеальны, поэтому точность таких часов зависит только от качества лазеров, электроники и остальных компонентов. За 75 лет атомные часы стали основой навигации, связи, научных исследований и множества других вещей. А новые их виды, возможно, откроют возможности, о которых прошлые поколения даже не мечтали.