Cделать стартовой Добавить в избранное

  Поиск

Журнал о часах o'Clock.info. Новинки часового бизнеса, статьи об истории часовых компаний, советы покупателям часов, ответы на вопросы связанные с эксплуатацией и сервисным обслуживанием часов.

  Ключевое слово или фраза:

  Режим:

"AND" "OR"

Новости Часовые марки Библиотека Мастерская Покупателю Бизнес Форум Вернисаж Ссылки

Журнал о часах .info // Библиотека //

Время, продиктованное молекулами и атомами


В 1954 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в Физическом институте АН СССР и Ч. Таунс, Дж. Гордон и X. Цейгер в Колумбийском университете Нью-Йорка одновременно и независимо друг от друга создали генераторы высокочастотных колебаний, в которых роль «кварцевых пластинок» сыграли молекулы аммиака. Выдающееся достижение обеих групп было отмечено Нобелевской премией.

А в октябре 1967 г. XIII Международная конференция по мерам и весам постановила: «Секунда – это 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». Этими словами официально началась новая эра в метрологии.

Чтобы оценить величие случившегося, нам придется отойти в самое начало XX в., когда сорокадвухлетний берлинский академик Макс Планк предположил, что электромагнитные волны излучаются и поглощаются не сплошным потоком, а порциями, квантами.

Такое допущение было нужно ему, чтобы связать воедино два противоречащих друг другу закона: Рэлея – Джинса и Вина. Первый утверждал, что мощность излучения тем выше, чем короче электромагнитная волна, а второй столь же безапелляционно ему противоречил и заявлял, что с уменьшением длины волны мощность уменьшается. (Ученые тогда еще не знали, что законы эти ограничены и описывают каждый свою область излучения.) С квантами же оба закона объединялись в один, очень точно описывающий явление.

Но действительно ли существуют кванты? Планк сам был не очень в этом уверен. Ему казалось, что в таком допущении есть нечто искусственное. Так же отнеслись к идее квантов многие коллеги Планка. Многие, но не все.

Одним из тех, кто в полной мере оценил могущество гипотезы «порций излучения», был Эйнштейн. И не только оценил, но и развил, доказав в 1905 г. физическую реальность квантов. Они помогли творцу теории относительности объяснить, почему одни световые лучи выбивают из металла электроны, а другие – нет. За эту работу, в которой не было ничего недоступного для понимания современного десятиклассника, он получил в 1921 г. Нобелевскую премию.

Поглощая и испуская кванты, атомы и молекулы приобретают или излучают энергию. Поглотив ее, атом (будем говорить в дальнейшем только о нем) может, например, потерять электрон – ионизироваться. Если же энергия кванта не очень велика, электрон лишь слегка сместится на другую орбиту. Атом перейдет в «возбужденное» состояние: Через некоторое время электрон вернется на свое место, а атом избавится от «съеденного» кванта, выбросит его наружу в виде электромагнитной волны, частота которой зависит от энергии кванта. В случае молекулы дело обстоит несколько сложнее, но это уже тонкости.

Как скоро возбужденный атом превратится снова в обыкновенный? Этого никто не может сказать. Может быть, через тысячную секунды, может быть, через секунду. Но ученый знает, что для каждой энергии и каждого атома есть своя вполне определенная вероятность того, сколько времени он просуществует в возбужденном состоянии.

Поглощаются (и, стало быть, испускаются) вовсе не любые кванты, а лишь те, которые «разрешает» внутреннее строение атома или молекулы. Скажем, молекулы аммиака способны излучать, среди прочих, кванты с частотой 23870 мегагерц, атомы водорода – 1420 мегагерц.

Создатели первого квантового генератора сумели извлечь спрятанный радиосигнал из молекул аммиака.

Для этого пришлось научиться сортировать молекулы. Они ведь с равным успехом могут находиться и в возбужденном состоянии – условно назовем его «красным» – ив обычном – «синем», так что в колбе с газом тех и других будет почти поровну (строго говоря, «синих» больше). Из этой мешанины кванта не извлечешь. Как только «красная» молекула от него освободится, его немедленно поглотит, словно мелкую рыбешку, «синяя» хищница и превратится в «красную». Молекулы перебрасываются квантами, оставляя нас, как говорится, при своем интересе. Какой барьер поставить на пути хищников?

Этим барьером стало электрическое поле. Его можно сформировать таким, что оно отбросит в сторону «синие» молекулы, а «красные», наоборот, соберет в тонкий пучок. Из сортирующего устройства вылетят уже только те молекулы, которые нам нужны.

Что ж, готов генератор? Пока еще нет. Пучок молекул будет испускать кванты, но уловить их мы не сможем. Энергия их как бы размазана по длине пучка. Еще более важно, что далеко не все молекулы совершают нужное нам превращение. Оно, как вы помните, лишь вероятно, но вовсе не обязательно. Очень многие переходы из «красного» в «синее» состояние совершатся вообще за пределами генератора. Силы, брошенные на сортировку, затрачены впустую. Вот собрать бы все «красные» молекулы в ловушку да заставить отдать по кванту, – тогда энергию их наш приемник уловил бы. Но как заставить?

Физики вспомнили об одной работе Эйнштейна, относящейся к 1917 г. Она разрешала атомам излучать кванты не только самопроизвольно, но и вынужденно.

Иными словами, достаточно по возбужденному атому ударить квантом с точно такой же энергией, которую атом намеревается выбросить, – и произойдет переход из «красного» состояния в «синее». Самое же приятное, что ударяющий квант не погибает. После его первого столкновения с атомом исследователь получает два кванта, после их нового соударения с другими атомами – четыре, потом восемь, шестнадцать и т.д... Помните историю с индийским царем, который принял условие, заплатить изобретателю шахмат за каждую клетку доски вдвое больше зерен, чем за предыдущую? Здесь те же «правила игры». Начав с одного-единственного кванта, установка выбрасывает мощный поток электромагнитных волн. Так, например, действует лазер, работающий в импульсном режиме: он то копит в себе «красные» молекулы (как – нас сейчас не интересует), то мгновенно переводит их все в «синее» состояние.

Чтобы зазвучал непрерывный сигнал, нужно все время получать откуда-то «красные» молекулы – хотя бы с помощью нашего сортировочного электрического поля. Да найти ловушку для квантов, чтобы ни один не потерялся.

Такие ловушки для радиоволн – объемные резонаторы давно известны радистам. Внешне это металлическая коробочка с одним или несколькими небольшими отверстиями. Радиоволны накапливаются там, словно вода, капля за каплей падающая в стакан. К сожалению, энергия радиоволн слегка греет стенки резонатора, поэтому ее приходится непрерывно пополнять: наш «стакан» для электромагнитной энергии слегка дырявый.

Чтобы «заткнуть дырки» (уменьшить потери), ловушку для радиоволн внутри серебрят, ведь серебро – самый лучший проводник электрического тока.

Резонатор и поставили на пути молекул аммиака создатели квантового, генератора. «Красные» молекулы ворвались в него, чтобы немедленно «красными» же вылететь наружу. Не тут-то было! Пока они находились внутри, одна из молекул испустила квант. Он отразился от стенки резонатора и ударил в другую молекулу, заставил ее отдать порцию энергии – лавинообразный процесс начался.

Он бы так и развивался до бесконечности, если бы не два препятствия. Во-первых, часть квантов теряется, поглощенная стенками резонатора. Во-вторых, чем больше квантов, тем больше «синих» молекул, способных ловить кванты, дабы приобрести «красную» окраску. Так что из молекул, находящихся в пучке, не больше половины поработает на пользу генератора. Пучок же приходится делать реденьким, чтобы исключить столкновения молекул между собой и их «посинение» без выброса кванта. Вот почему мощность, которую развивает наш квантовый генератор даже с очень хорошим резонатором, ничтожна.

Наконец-то часы!


«Молекулярный генератор может быть использован в качестве абсолютного эталона частоты (времени) высокой точности» – подвели итог своей работы Басов и Прохоров в статье «Молекулярный генератор и усилитель», напечатанной в ноябре 1955 г.

Действительно, внутриатомные и внутримолекулярные процессы хорошо поддаются расчету (не все, конечно, но во всяком случае те, которые нас интересуют), кванты выбрасываются в строгом соответствии с теорией. А главное, процессы эти очень стабильны, так что «порции энергии» получаются чрезвычайно похожими друг на друга. В случае аммиака разница измеряется несколькими стомиллионными или даже миллиардной долей процента. Вот она, эталонная частота!

Правда, частоту квантов молекул аммиака (да, как правило, и других веществ) невозможно поделить так, чтобы в конце концов обрести любезную нашему сердцу секунду – частоту 1 герц. Только для простоты говорится, что частота кванта равна 23 870 мегагерцам, а на самом деле число это не круглое. Пришлось пойти на хитрость.

Как вы помните, кварцевый генератор оказался не способным выполнять роль эталона, потому что его частота непрерывно «плывет» неведомо куда. С другой стороны, хорошо известна частота квантов аммиака. Что если сравнить эти частоты? Ведь тогда полностью удастся исключить неопределенность кварца.

Однако просто взять и вычесть частоты нельзя. Разница будет столь велика, что измерить ее с нужной точностью не удастся. Приходится частоту кварца сначала умножать в несколько сотен или тысяч раз (это не так уж трудно, как может показаться), а только потом вычитать. Разница – это как бы отклонение стрелки весов. Если она колеблется, частота кварца не стабильна. Но радисты умеют с очень большой скоростью подстраивать частоту генератора. Автоматическая система чутко следит, чтобы «стрелка весов» стояла как вкопанная. Вот теперь можно смело утверждать: частота 1 герц, выработанная из частоты кварца, идеально привязана к частоте квантового генератора. Способ длинный, что делать, зато надежный.

Квантовые часы на аммиаке сразу же снизили вариацию хода до 0,000001 секунды в сутки, так что опытному глазу стали видны неравномерности во вращении Земли. В Пулковской обсерватории в конце 50-х – начале 60-х годов аммиачный генератор использовался как эталон времени. Но... более детальные исследования показали, что и он не идеален, что и у него есть свои погрешности. С немалыми хитростями удалось снизить их еще в несколько раз, и стало ясно: дальнейшие успехи нужно искать на иных путях.

Одна из причин, поставившая предел повышению точности, – «соотношение неопределенностей», фундаментальное понятие физики элементарных частиц. Его ввел немецкий исследователь В. Гейзенберг в 1927 г. Оно отражает «странные» свойства микромира. Оказывается, энергию любой частицы, в том числе и кванта (а стало быть, и частоту), можно измерить только с некоторой наперед заданной точностью. Ошибка неизбежна, и зависит она от длительности наблюдения, т.е. времени взаимодействия частицы с измерительным прибором. Погрешность обратится в нуль, когда время это станет равно бесконечности. Грубо говоря, если наблюдение длится 1/10 секунды – ошибка составит 10 герц. Дальше следует простая арифметическая задача: длина резонатора несколько сантиметров, скорость молекул – несколько километров в секунду. Ответ: абсолютная ошибка измерения частоты – порядка 3000 Гц. Аммиак стал препятствием для дальнейшего роста точности.

Начались поиски новых методов, иных веществ. Они увенчались замечательным успехом: был создан квантовый генератор на атомах водорода.


1


2


3


4


5


6


7


8


9


10


11


12


13


14


15


16


17


18


19


20


21


22


23


24


25


26


27


28


29


30


31


32


33


34


35


36


37


38


39


40


41


42


43


44


45

Текст издания:
Вячеслав Евгеньевич Демидов.
Время, хранимое как драгоценность. – М., Знание, 1977

© «НиТ. Раритетные издания», 1998