Атомные «наручники»

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

И только много позже, когда пришлось столкнуться с чем-то подобным и в других ситуациях, я понял, в чем суть проблемы. Например, довелось мне как-то листать номер американского национального географического журнала, посвященный изучению и измерению времени, в котором авторы просто и доходчиво доносили до читателя «глубокую» мысль: наука не знает, что есть время!

Конечно, со времен А.Эйнштейна мы признаем, что во Вселенной время интегрировано с пространством в неразрывный континуум пространства-времени, искривляемого под влиянием больших гравитационных масс. Известно также, что при приближающихся к световым скоростях время сильно замедляется, а при «провале в черную дыру» оно вообще останавливается. Но, оперируя этим знанием, ученые тем не менее не объясняют, что же такое время.

А ведь прогресс науки – это прежде всего повышение разрешающей способности измерений все более кратких мгновений времени. Дело уже дошло до аттосекундных лазерных импульсов, при которых секунда дробится на доли, равные 10^–18! При такой длительности импульса не только молекула, но даже атом «замораживается» в своем движении, что позволяет детально изучать переходы электрона с одного квантового энергетического уровня на другой.

Сегодня уже трудно представить себе мир без мобильников и Интернета, невозможных без миниатюрных атомных «ловушек», в которых движение единиц материи почти нацело «затормаживается» с помощью лазерного излучения.

У заторможенного же атома легче измерить квантовый переход, или классический боровский «скачок», электрона с одного энергетического уровня на другой. Переходы эти совершаются за строго определенное время, что и стало основой для нового стандарта времени.

В первых «примитивных» атомных часах для определения квантового перехода использовалось микроволновое излучение, длина волны которого составляет 3,2 см. 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 ошеломляющая: ошибка в одну секунду «набегает» всего лишь за 30 миллионов лет!

Гораздо шире распространены более «примитивные» часы размером с коробку обуви. Точность их на три порядка ниже, но зато тысячи подобных часов весьма активно используются по всему миру, поскольку достаточно высокая точность измерения хода времени необходима для современных средств связи, FМ-радио, передачи данных в сетях со многими пользователями.

Цезий был выбран при создании атомных часов благодаря тому, что он довольно легко испаряется при сравнительно невысокой температуре, но в то же время масса его атомов достаточно велика, чтобы они вели себя в «облаке» себе подобных весьма достойно и сдержанно. При воздействии на облако микроволнового излучения с частотой 10 миллиардов герц, или 10 гигагерц (ГГц), атомы поглощают его энергию – происходит переход электронов с одного квантового уровня на другой. В целом таких возможных уровней 16, но создателей часов волнуют лишь 2 «специфических» – с максимально возможной частотой перехода.

В цезиевых часах оптимальная частота выходного сигнала составляет 9 192 631 770 Гц. Это и есть атомный эталон времени. Можно еще сказать, что атомные часы делают такое вот огромное количество «тик-таков» в одну секунду. Можно также добавить, что «разведение» двух указанных энергетических состояний достигается за счет слабого магнитного поля.

Размер атомных часов диктуется, как уже говорилось выше, длиной волны излучения в 3,2 см. Эта длина налагает ограничение на возможную и желательную миниатюризацию атомных часов. «Лимит» преодолевается с помощью лазера, который позволяет создать световой «улавливатель когерентной популяции».

Когерентность – это когда все шагают, как на параде, в ногу, и поэтому легко измерить длину шага. В толпе, где когерентность отсутствует, измерить длину шага практически невозможно, ее определение достигается лишь статистическими, т.е. приближенными, методами.

В силу естественных причин и прежде всего охлаждения атомного облака точность хода атомных часов определяется двумя основными параметрами. Это прежде всего повышение уровня полезного сигнала по отношению к фоновому «шуму», т.е. создание условий, чтобы полезный сигнал не «размывался». Такое «размывание» сопряжено с «уходом» от оптимальной частоты ~9 ГГц, являющейся вторым параметром.

Эти сложности устраняются благодаря использованию лазера, луч которого содержит два оптических компонента, различающихся на искомые ~9 ГГц. Цезиевое «облако» атомов нагревается до температуры 80 °С, что дает достаточное количество эффективных атомов для генерации полезного сигнала.

Далее начинаются «паразитические» процессы. При большом количестве атомов происходят их частые столкновения. Создается ситуация переполненного морского пляжа, когда тела соседей дают тень, из-за которой солнечные лучи не достигают вашей кожи. Нечто подобное творится и с атомами, столкновения которых препятствуют их взаимодействию с лазерным лучом. Это приводит к расширению резонансной линии, ее «расплыванию», что уменьшает точность «хода» часов. Столкновения также изменяют в атомах оптимальные энергетические уровни, о которых говорилось выше. Эти изменения ведут к снижению числа эффективных атомов, генерирующих полезный сигнал. Так и хочется сказать им: «Не отвлекайтесь!»

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

Электронная отрасль промышленности довольно давно и успешно производит кремниевые «вафли», представляющие собой круглые кремниевые кристаллы с диаметром как у стандартного компакт-диска, из которых затем нарезаются миниатюрные чипы для часов, мобильников и других электронных устройств.

Новые атомные часы, описанные Л.Лью (L.Liew) в журнале Аррlied Physics Letters за 2004 год, являют собой самый настоящий шедевр сверхминиатюризации. В кремниевом «бруске» с длинами ребер не более 1,2 мм просверливается сквозной колодец, в который помещается цезиевое «облако» атомов. Сверху и снизу он закрывается тоненькими стеклышками. А далее, как в стандартном лазерном проигрывателе, цезий освещается лазером и генерирует полезный тактовый сигнал с оптимальной частотой чуть более 9 ГГц (точное значение приведено выше). Так были созданы атомные часы, для энергопотребления которых достаточны милливатты, что позволяет использовать для их питания стандартную батарейку.

Согласно авторам, создавшим сей уникальный шедевр, сравнимый с подкованной Левшой блохой, точность их новых часов такова, что ошибка в одну секунду «набежит» за 100 миллиардов дней. Это, естественно, гораздо меньше, чем у часов размером с большой шкаф, дающих секундную ошибку за 30 миллионов лет. Но зато стоимость новых «часиков» составляет лишь около 120 долларов, а при массовой «штамповке» будет и того меньше. А какие возможности открываются для создания научных и бытовых электронных устройств!

Достаточно привести всего лишь один пример использования таких точных «наручных» часов. Сегодня одной из автомобильных опций является система глобального позиционирования, или определения местоположения. С новыми «наручными» 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 начать полномасштабную «эксплуатацию» четвертого измерения объединенного континуума пространства-времени...

Материал подготовил И.Э.Лалаянц