Каждое устройство для отсчета времени работает через версию маятника - даже атомные часы с точностью до наносекунд.
Ключевые выводы
- На протяжении веков темп культурной эволюции часто можно было привязать к машинам, доступным для измерения времени.
- Появление промышленности потребовало от нас создания часов, которые могли бы измерять время с точностью до секунды. Но шестерни и пружины в механических часах изнашиваются и теряют точность.
- Наша современная способность определять время с точностью до наносекунды является ключом ко всем технологиям, на которые мы полагаемся сегодня.
Измерение времени всегда было основополагающим для людей, и разные общества на протяжении истории разработали разные способы его отслеживания. Как я исследовал несколько лет назад в своей книге «О времени: космология и культура в сумерках Большого взрыва», скорость культурной эволюции часто можно привязать к машинам, доступным для измерения времени. Почти каждая новая технология хронометража привела к новым общественным порядкам. Что особенно примечательно в технологиях, которые мы используем в современном мире, так это то, что все они основаны на физике, работающей в атомном масштабе.
От положения солнца к положению электронов
В доиндустриальную эпоху людям нужно было измерять только годы и месяцы с достаточной точностью. Положение солнца на небе было достаточно хорошим, чтобы разбить день. Тайминг на уровне долей секунды был просто не нужен.
Со временем возникла современная промышленность. Быстро движущиеся машины стали доминировать в человеческой деятельности, а часам требовались стрелки, способные измерять секунды. В нынешнюю эпоху цифровых технологий синхронизация электронных схем означает, что на самом деле имеют значение миллионные или миллиардные доли секунды. Никакие высокотехнологичные устройства, в которых мы нуждаемся, от наших телефонов до наших автомобилей, не могут контролироваться или манипулироваться, если мы не можем внимательно следить за ними. Чтобы технология работала, нам нужны часы, которые быстрее, чем часы машин, которыми мы должны управлять. Для современных технологий это означает, что мы должны иметь возможность измерять секунды, миллисекунды или даже наносекунды с поразительной точностью.
Каждый хронометр работает по типу маятника. Что-то должно качаться взад-вперед, чтобы отбить базовую единицу времени. В механических часах использовались шестерни и пружины. Но металл меняет форму при нагревании или охлаждении, а трение изнашивает механические детали. Все это ограничивает точность этих хронометрических машин. По мере того, как скорость человеческой культуры росла, ей требовался своего рода сверхбыстрый маятник, который никогда не изнашивался бы.
К счастью, это то, что ученые обнаружили внутри каждого атома.
Каждый атом поглощает и излучает электромагнитное излучение на определенных частотах. Эти частоты (и связанные с ними длины волн) изменяются в зависимости от элемента. Подвергните атом водорода полному спектру оптического света, и он будет поглощать только несколько частот (цветов). Остальные частоты остаются нетронутыми. В первые десятилетия 20th века квантовая механика объяснила это странное поведение. Квантовая теория показала, как переход электронов определяет взаимодействие света и материи. Электроны перескакивают с одной орбиты вокруг ядра своего атома на другую.
Атомное время делает лучшие часы
Поглощение влечет за собой переход электрона на более энергетическую орбиту при захвате легкой частицы или фотона. С излучением все наоборот: электрон перескакивает на более низкую орбиту, высвобождая энергию при испускании фотона. Используя квантовую механику, физики научились точно предсказывать частоты поглощения и излучения всех атомов, ионов и молекул.
Хотя в то время никто не знал, что эти квантовые скачки создадут новый вид часов. Частота есть не что иное, как обратное время (1/сек). Это означает, что чрезвычайно точные измерения частоты перехода атома или молекулы могут транскрибировать точное измерение времени.
Во время Второй мировой войны развитие радаров позволило использовать волны в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра в экспериментах по взаимодействию фотонов и атомов. Это привело к созданию первых атомных часов, основанных на молекулах аммиака и их переходах в микроволновую частоту.
Атомы цезия позже стали предпочтительным инструментом для измерения времени, и в 1967 году секунда была официально определена как ровно 9 192 631 770 циклов частоты перехода атома цезия. Современные атомные часы теперь настолько точны, что их точность измеряется опережением или отставанием наносекунд в день.
Ни одно из современных чудес, облегчающих нашу повседневную жизнь, не работало бы без этих «маятников» внутри атомов. От спутников GPS, отправляющих и принимающих сигналы по всему миру, до крошечных переключателей внутри вашего мобильного телефона - это самый основной аспект современной физики - квантовые скачки - которые позволяют создавать такие тонкие филиграни времени.