Сколько длится секунда?

В сутках 24 часа, 60 минут в часе и 60 секунд в минуте — так что, несомненно, секунда - это всего лишь 1 / (24 x 60 x 60), или 1/86400, суток, верно? Оказывается, определить время не так просто.

Мы привыкли думать о секунде как о фиксированном приращении времени, но эта небольшая единица менялась несколько раз на протяжении истории.

"Первоначально секунда была основана на продолжительности дня, - поясняет Питер Уибберли, старший научный сотрудник Национальной физической лаборатории в Великобритании. - Люди наблюдали, как солнце проходит над головой, и начали измерять его движение с помощью солнечных часов. Подобные устройства показывают время, основанное непосредственно на положении солнца на небе, которое называется видимым солнечным временем".

Однако у солнечных часов есть несколько недостатков. Помимо очевидной проблемы невозможности прочитать показания солнечных часов, когда солнца не видно, полагаться на суточное вращение Земли (также известное как астрономическое время) будет неверным.

"Вращение не совсем постоянное, - говорит Уибберли. - Земля ускоряется и замедляется с течением времени. Существуют сезонные колебания, большие непредсказуемые колебания от десятилетия к десятилетию из-за изменений в расплавленном ядре, и долгосрочное замедление, вызванное приливами".

Итак, как мы можем точно измерить время, если использование продолжительности суток настолько ненадежно?

В 16 веке люди обратились к технологическим решениям этой проблемы и начали появляться первые механические часы.

"Суть создания часов перешла от отсчета времени, следуя положению солнца, к созданию генератора и определению фиксированного числа колебаний, эквивалентного одной секунде", - рассказывает физик из Амстердамского университета.

Самыми ранними примерами механики были маятниковые часы, которые были сконструированы так, чтобы тикать с определенной частотой, эквивалентной астрономической секунде, усредненной в течение года. В течение следующих нескольких сотен лет ученые работали над созданием более совершенных генераторов и разработали множество других систем хронометража.

Примерно к 1940 году кварцевые часы стали новым золотым стандартом. "Если вы подадите напряжение на кусок кварца тщательно сформованной формы, он начнет вибрировать, и вы сможете очень точно настроить частоту этих колебаний, - говорит Саркар.

- Но хотя такая точность хороша для общего использования, ее недостаточно для технических применений, таких как Интернет, системы GPS или фундаментальных исследований".

Проблемы возникают из-за того, что каждый кусочек кварца уникален и резонирует немного по-разному в зависимости от физических условий, таких как температура и давление. Чтобы быть действительно точными, часы должны быть настроены на какой-то независимый, неизменный эталон. Вот тут-то и появляются атомные часы.

"Атомы обладают естественными фиксированными резонансами. Они существуют только в определенных энергетических состояниях и могут переходить из одного состояния в другое только путем поглощения или испускания фиксированного количества энергии, - объясняет Уибберли. - Эта энергия соответствует точной частоте, поэтому вы можете использовать эту частоту в качестве ориентира для учета времени". 

Первые практические атомные часы, представленные в 1955 году, измеряли количество вызванных микроволновым излучением энергетических переходов в атомах цезия за одну астрономическую секунду. В 1967 году мировое научное сообщество согласилось переопределить секунду в соответствии с этим числом, и Международная система единиц и измерений теперь определяет секунду как продолжительность 9 192 631 770 колебаний энергии в атоме цезия.

С тех пор астрономическая секунда продолжает меняться, в то время как атомная секунда остается на уровне ровно 9 192 631 770 колебаний. Эти колебания астрономического времени на самом деле означают, что каждые несколько лет ученые должны добавлять високосную секунду, чтобы замедляющееся вращение Земли соответствовало атомному времени. Эту високосную секунду отменят в 2035 году, но ученые пока не выяснили, как справиться другими способами с этим крошечным расхождением.

Сегодня по всему миру исследовательские группы работают над еще более точными оптическими атомными часами, которые используют атомные переходы, вызванные видимым светом более высокой энергии, в таких элементах, как стронций и иттербий, чтобы повысить точность более чем в 100 раз. На самом деле, ученые обсуждают, не пора ли заново определить секунду в соответствии с колебаниями оптических часов, используя источники ультрафиолетового и видимого света вместо микроволн.