Как ученые измеряют длину секунды?

Каждые сутки состоят из 24 часов. Каждый час — из 60 минут. А так как одна минута — это 60 секунд, значит, одна секунда — это 1/86400 часть дня, правильно? Не совсем: на практике измерение времени несколько сложнее. Портал livescience.com рассказал, почему.

Изначально секунда была выведена на основе длительности дня. Древние люди наблюдали за солнцем, проходящим по небу, и начали измерять его движение при помощи солнечных часов. Устройства подобного рода фиксируют время в зависимости от позиции солнца — оно называется «видимым солнечным временем».

Однако солнечные часы обладают недостатками. Даже если не считать тот факт, что они не могут подсказать время, когда солнце скрывается из виду, расчет солнечного времени опирается на ежедневное вращение Земли. А оно предоставляет не самые точные данные: само по себе вращение — не постоянная величина, наша планета ускоряется и замедляется. Иногда от смены времени года, иногда по вине изменений в расплавленном ядре. Даже приливы и отливы влияют на скорость вращения.

© Wikipedia

Если длина дня варьируется, то как мы можем измерить время с максимальной точностью? В XVI веке люди нашли технологическое решение этой проблемы — первые механические часы. Позиция Солнца уступила место осцилляторам, и мы просто договорились, какое количество вибраций должно стать эквивалентом одной секунды.

Самыми ранними примерами механических часов были часы-маятники, которые тикали с определенной частотой и выравнивались в течение года. За несколько следующих столетий ученые разработали новые, более точные осцилляторы и выработали мириады других систем исчисления времени, но примерно к середине XX века золотым стандартом стали кварцевые часы. Если подать напряжение на кристалл кварца определенной формы, он начнет вибрировать, причем частоту вибрации можно очень точно настроить. Хотя даже такой степени точности недостаточно для чувствительных областей применения: например, Интернета, систем навигации и фундаментальных наук.

© Wikipedia

Проблемы возникают из-за того, что каждый кристалл кварца по-своему уникален, и их вибрации немного различаются в зависимости от давления, температуры и других параметров. Чтобы достичь максимальной точности, необходим независимый, неизменный стандарт — и здесь в дело вступают атомные часы. Атомы, в отличие от кварца, обладают фиксированными частотами. Они существуют только в специфических состояниях энергии и переходят из одного состояния в другое, впитав (или выпустив) фиксированный объем энергии.