Секунда, которую отсчитывает атом цезия
Метр когда-то был палкой в Париже, килограмм — гирей. Секунда была долей суток, пока не выяснилось, что Земля вращается неровно: то подтормаживает от приливов, то ускоряется на миллисекунды.
С 1967 года секунда определена иначе. Это 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Число выглядит взятым с потолка. Оно и было взято — из астрономии: его подобрали так, чтобы новая секунда совпала со старой. А вот всё, что стоит за ним, взято из устройства атома.
Что такое сверхтонкий переход
У атома цезия один внешний электрон. И у электрона, и у ядра есть спин, и взаимно они могут быть ориентированы двумя способами: согласно или наперекор. Энергии этих двух положений отличаются, причём совсем чуть-чуть — отсюда и название «сверхтонкое расщепление».
Переход между ними атом делает, поглощая или испуская излучение строго определённой частоты. Именно строго: частота задана не конструкцией прибора, а устройством самого цезия. Все атомы цезия-133 во Вселенной одинаковы, и переход у них одинаковый.
В этом весь фокус. Маятник изнашивается, кварц стареет, эталонная гиря теряет микрограммы. Атом не изнашивается.
Как это превращают в часы
Атомные часы устроены не как часы, а как настройка радиоприёмника.
В цезиевом фонтане облако атомов сначала ловят и охлаждают лазерами почти до неподвижности, потом подбрасывают вверх на метр с небольшим. Атомы летят по дуге, дважды проходя через полость с микроволновым полем — вверх и обратно вниз. Чем дольше атом взаимодействует с полем, тем точнее можно нащупать резонанс, и подбрасывание нужно ровно ради этого лишнего времени.
Дальше проверяют, сколько атомов перескочило на другой уровень. Много — частота угадана верно. Мало — генератор подстраивают. Эта обратная связь работает непрерывно, и генератор оказывается вечно привязанным к цезию.
Досчитав до 9 192 631 770, часы говорят: прошла секунда.
Зачем это спутнику
Спутниковая навигация — это не радиопеленг, а измерение времени. Каждый аппарат непрерывно передаёт сигнал с точной меткой момента отправки. Приёмник в телефоне сравнивает метку со своими часами, получает время в пути и умножает на скорость света. Так выходит расстояние до одного спутника. Четыре спутника дают точку в пространстве и заодно поправку к часам приёмника.
Масштаб требований задаётся скоростью света: за наносекунду свет проходит около 30 сантиметров. Ошибка синхронизации в микросекунду — это триста метров мимо.
Поэтому на борту стоят атомные стандарты частоты, а наземный сегмент постоянно сверяет их с эталонами.
Поправка, без которой всё разъезжается
Дальше начинается место, где навигация упирается в теорию относительности, причём в обе её части сразу.
Спутник летит на высоте около 20 200 километров, где гравитация слабее. По общей теории относительности его часы идут быстрее наземных примерно на 45 микросекунд в сутки. При этом он движется по орбите быстро, а по специальной теории относительности движущиеся часы отстают — минус около 7 микросекунд в сутки.
Итог: бортовые часы уходят вперёд примерно на 38 микросекунд каждые сутки. Это 38 000 наносекунд, то есть накопленная за день ошибка положения порядка десятка километров.
Без релятивистских поправок система стала бы бесполезной за первый же день работы. Их закладывают заранее: частоту бортовых стандартов слегка занижают ещё на Земле, чтобы на орбите она стала правильной.
Часы точнее цезия
Цезиевый стандарт остаётся определением секунды, но лучшим прибором давно не является.
Оптические часы работают на том же принципе, только частота перехода у них не микроволновая, а световая, в десятки тысяч раз выше. Делений на шкале больше — значит, точнее отсчёт. Проблема была в том, что световые колебания нечем считать; её решила фемтосекундная гребёнка, оптический «редуктор», переводящий световую частоту в радиодиапазон.
Результаты последних лет: стронциевые решёточные часы с систематической погрешностью 8,1·10⁻¹⁹ (2024), одноионные часы на алюминии-27 в NIST — 5,5·10⁻¹⁹ (2025). Такая точность значит, что за возраст Вселенной прибор ушёл бы меньше чем на секунду.
Точность стала настолько избыточной, что часы превратились в другой инструмент. Ещё в 2010 году Чоу и коллеги в NIST развели две оптических системы по высоте на 33 сантиметра и увидели разницу хода: та, что выше, шла быстрее, ровно как предписывает общая теория относительности. Сегодня такие часы способны мерить высоту точки на местности по скорости течения времени в ней.
Секунду при этом готовятся переопределить заново — уже через оптический переход. Цезий свою службу отслужил.