Точное измерение времени стало важной частью нашей повседневной жизни. Мы используем часы для планирования дел, а системы GPS зависят от точности временных данных. Однако, несмотря на все технологические достижения, до сих пор нет единого мнения о том, что такое секунда. Недавние исследования в области измерения времени могут изменить это представление.
История измерения времени уходит корнями в древность. Например, в Ирландии находится неолитический памятник Ньюгрейндж, где солнечный свет проникает в камеру в день зимнего солнцестояния. Аристотель в своё время предложил использовать вращение небесных тел как основу для хронометрии. Водяные часы, появившиеся около 2000 года до нашей эры, регулировали поток воды для отслеживания времени, а механические часы стали популярны в конце XIII века.
До 1967 года секунда определялась как 1/86400 суток. Однако с тех пор Международная система единиц установила новое определение, основанное на частоте перехода атома цезия-133. Этот переход происходит 9 192 631 770 раз за секунду. Переходы в атомах цезия обеспечивают высокую точность, но ученые ищут способы улучшить эту технологию.
Сложность заключается в том, что для повышения точности необходимо использовать более высокие частоты переходов. Чем больше переходов в секунду, тем меньше вероятность ошибки. Для измерения частоты перехода ученые применяют технику, при которой известный сигнал комбинируется с сигналом, который они хотят измерить. Разница между ними позволяет получать новый, более низкочастотный сигнал, который проще анализировать.
В этом контексте частотные гребенки, использующие лазеры для создания множества разных волн света, становятся важным инструментом. Они позволяют передавать энергию миллионам атомов одновременно, увеличивая вероятность совпадения с частотой перехода атомов. Это повышает точность измерений.
В сентябре 2021 года ученые начали использовать стронций для измерения переходов, которые находятся в диапазоне видимого света. Это открывает возможность переопределения секунды к 2030 году. Однако в 2024 году американские исследователи сделали еще один шаг вперед, создав ядерные часы, которые измеряют переходы в ядре атома. Используемый атом — торий-229, который может быть возбужден ультрафиолетовым светом.
Преимущество ядерных часов заключается в том, что частота перехода тория примерно в миллион раз выше, чем у цезия. Это означает, что они могут предоставлять более точные данные, хотя точность измерений на данный момент ниже, чем у стронциевых часов. Тем не менее, ядерные часы обещают новое поколение хронометрических устройств с высокой точностью.
Измерение времени с девятнадцатым знаком после запятой позволит ученым исследовать быстрые процессы, такие как взаимодействия в квантовой механике. Более точные измерения также окажут влияние на системы позиционирования, такие как GPS, которые требуют точного времени для вычисления расстояний.
Учитывая, что время цезиевой секунды может быть вскоре заменено, новые технологии могут привести к значительным изменениям в области навигации и связи. В конечном итоге, ядерные часы могут стать основой для более точного понимания времени и его влияния на наше общество.
