​​​​​​​​​​​​​​Надежнее швейцарских: как Льюис Эссен создал атомные часы

Точность важна не только в этикете, это фундаментальное условие всего научно-технического прогресса. В вопросах измерений особенно трепетного уточнения требует время. Синхронизированный Интернет, спутниковая навигация и даже простые опыты в школьном кабинете физики — все это было бы невозможным без самых точных в мире атомных часов. Их изобрел британский физик Льюис Эссен. Рассказываем историю ученого, обуздавшего время.

Ранние годы и начало карьеры: кварцевые часы Льюиса Эссена

Маленький Луи появился на свет на окраине Ноттингема в скромной семье сапожника. В возрасте 16 лет он получил открытую стипендию на обучение в университете Ноттингема. Уже в 1928 году юноша окончил учебное заведение с отличием и получил степень бакалавра по физике.

Позже Эссен продолжил обучение в аспирантуре у доктора Генри Броуза. В этот период будущему ученому удалось познакомиться с самим Альбертом Эйнштейном, который тогда посетил университет. Однако глобальная экономическая рецессия Великобритании внесла свои коррективы — плата за обучение оказалась неподъемной для родителей Льюиса. Молодой человек был вынужден оставить аспирантуру и начать искать способ заработать на жизнь.

В 1929 году Эссен присоединился к отделу электричества Национальной физической лаборатории в качестве младшего научного сотрудника. Там он начал работу над частотой радиогенераторов, и к 1936 году разработал кольцевой кварцевый генератор, а если проще — создал первые в мире кварцевые часы. Они были стандартом измерения времени и частоты в Национальной физической лаборатории на протяжении 20 лет.

Кварцевые часы Эссена стали стандартом времени в обсерваториях и первым устройством, которое было достаточно точным для измерения мельчайших изменений скорости вращения Земли. До изобретения Эссена ученые всего мира думали, что эта скорость постоянна.

Самое точное измерение скорости света

Во время Второй мировой войны Эссен разрабатывал необходимые для того времени технологии: решал проблемы высокочастотных систем связи и проектировал специальные кабели для микроволновых частот — это требовалось для работы коротковолновых радаров.

В 1946 году Льюис Эссен вместе с А. К. Гордон-Смитом использовали одно из таких устройств для измерения скорости света. Они получили беспрецедентно точный результат — 299 792 ± 3 километра в секунду. Это было на 16 км/сек больше, чем самое точное значение, достигнутое к тому времени.

Уже в 1950 году ученые использовали усовершенствованную версию резонатора и уточнили значение скорости света — 299 792,5 ± 1 км/сек. Эта величина отличалась менее, чем на два метра в секунду от более точного результата на основе лазера, который был достигнут лишь в 1975 году.

Точнее, точнее и еще точнее: создание атомных часов

Гонка за точностью не прекратилась, и Эссен заинтересовался также возможностью использования частоты атомных спектральных линий для измерения времени. Уже к 1955 году он и его коллега Дж. В. Л. Парри создали часы, которые работали на собственной резонансной частоте атомов цезия.

Эти первые часы имели погрешность в десятимиллиардную долю секунды и были первыми атомными часами, которые соответствовали требуемым стандартам точности для такого типа устройств. Однако ученым и этого оказалось мало — к 1957 году они улучшили механизм и добились снижения погрешности аж до триллионной доли секунды!

Атомные часы полностью изменили представление об эталоне времени. В 1967 году ученые переопределили стандартную единицу времени СИ — секунду — уже в координатах атомных частот.

Поскольку скорость вращения Земли постоянно меняется, необходимо иногда добавлять (или в теории вычитать) секунду, чтобы Всемирное координированное время (UTC) шло в ногу с природой. Дополнительная корректирующая секунда была введена в 1972 году, с тех пор в полках UTC прибыло 27 секунд.

Как Эссен бросил вызов Эйнштейну

Работа над измерением времени пробудила у Эссена интерес к теории относительности Эйнштейна. К своему удивлению, он обнаружил, что некоторые ведущие ученые не согласны с интерпретацией теории. Тщательный анализ позволил Эссену сделать вывод, что теория Эйнштейна имела фундаментальные недостатки. Разумеется, его точка зрения не была принята, и руководство предложило ученому продолжать заниматься исследованиями в частном порядке, а не в стенах NPL. Его заключения были в конечном итоге опубликованы лишь в 1971 году, и, несмотря на поддержку многих в научном сообществе, ему пришлось признать поражение.

Льюис Эссен вышел на пенсию в 1972 году и переехал с женой жить в дом недалеко от Лезерхеда. Ученый ушел из жизни в 1997 году в возрасте 88 лет.

Сегодня атомные часы необходимы для работы спутниковых навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС), Интернета, метеорологических станций... Трудно назвать хотя бы одну область человеческой деятельности, в которой не нужна была бы точность времени. Современные атомные хронометры обладают еще меньшей погрешностью измерения, однако все они устроены по одному принципу — как завещал дедушка Эссен.