Who decides how long a second is? - John Kitching

Переводчик: Ksenia Nichyporuk Редактор: Rostislav Golod

In 1967, researchers from around the world

В 1967 году учёные со всего мира собрались,

gathered to answer a long-running scientific question—

чтобы наконец-то ответить на давний вопрос науки:

just how long is a second?

чему же равна одна секунда?

It might seem obvious at first.

Ответ может показаться очевидным.

A second is the tick of a clock,

За секунду один раз тикают часы,

the swing of a pendulum, the time it takes to count to one.

совершает один ход маятник, а ещё можно просто сосчитать до одного.

But how precise are those measurements?

Но насколько точны эти измерения?

What is that length based on?

Что лежит в основе этой величины?

And how can we scientifically define this fundamental unit of time?

И как научно объяснить эту ключевую единицу времени?

For most of human history, ancient civilizations

Испокон веков народы древних цивилизаций

measured time with unique calendars

измеряли время при помощи собственных календарей,

that tracked the steady march of the night sky.

основанных на наблюдениях за неспешным движением светил на ночном небе.

In fact, the second as we know it wasn’t introduced until the late 1500’s,

Известная нам сегодня секунда появилась в науке только в конце XIV века,

when the Gregorian calendar began to spread across the globe

когда по всему миру вместе с британским господством

alongside British colonialism.

стал распространяться григорианский календарь.

The Gregorian calendar defined a day as a single revolution of the Earth

В таком календаре день равен одному обороту нашей планеты

about its axis.

вокруг своей оси.

Each day could be divided into 24 hours, each hour into 60 minutes,

День делится на 24 часа, каждый час состоит из 60 минут,

а каждая минута равна 60 секундам.

and each minute into 60 seconds.

However, when it was first defined,

Впрочем сначала секундой пользовались

the second was more of a mathematical idea than a useful unit of time.

скорее для математических расчётов, а не для измерения времени.

Measuring days and hours was sufficient for most tasks in pastoral communities.

Тогда для большинства задач достаточно было измерять время в днях и часах.

It wasn’t until society became interconnected

Так было, пока города не соединили скоростные поезда,

through fast-moving railways that cities needed to agree on exact timekeeping.

а вместе с этим людям пришлось договариваться о точном расписании.

By the 1950’s, numerous global systems required every second

К 50-м годам ХХ века во многих международных системах

to be perfectly accounted for, with as much precision as possible.

требовалось учитывать каждую секунду как можно более тщательно.

And what could be more precise than the atomic scale?

А что для этого может быть лучше, чем атомная шкала?

As early as 1955, researchers began to develop atomic clocks,

Уже в 1955 году учёные стали разрабатывать атомные часы,

which relied on the unchanging laws of physics

опираясь на неизменные законы физики,

to establish a new foundation for timekeeping.

для совершенно нового измерения времени.

An atom consists of negatively charged electrons

Атом состоит из отрицательно заряженных электронов,

orbiting a positively charged nucleus at a consistent frequency.

которые вращаются с постоянной частотой вокруг положительно заряженного ядра.

The laws of quantum mechanics keep these electrons in place,

Законы квантовой механики не дают электронам «разлететься»,

but if you expose an atom to an electromagnetic field

но если на атом воздействовать электромагнитным полем,

such as light or radio waves,

например, светом или радиоизлучением,

you can slightly disturb an electron’s orientation.

то можно слегка нарушить направление электрона.

And if you briefly tweak an electron at just the right frequency,

А если электрон настроить на нужную частоту,

you can create a vibration that resembles a ticking pendulum.

то он будет раскачиваться, почти как часовой маятник.

Unlike regular pendulums that quickly lose energy, electrons can tick for centuries.

Обычные маятники быстро теряют энергию, но электроны могут раскачиваться веками.

To maintain consistency and make ticks easier to measure,

Чтобы добиться устойчивости и упростить измерения,

researchers vaporize the atoms,

учёные «выпаривают» атомы,

converting them to a less interactive and volatile state.

так что они становятся более стабильными и хуже взаимодействуют друг с другом.

But this process doesn’t slow down the atom’s remarkably fast ticking.

При этом они раскачиваются всё так же быстро.

Some atoms can oscillate over nine billion times per second,

Некоторые атомы могут колебаться более девяти миллиардов раз в секунду,

giving atomic clocks an unparalleled resolution for measuring time.

поэтому атомные часы измеряют время с непревзойдённой точностью.

And since every atom of a given elemental isotope is identical,

А поскольку у того или иного изотопа каждый атом идентичен,

two researchers using the same element and the same electromagnetic wave

то из одинакового химического элемента и такой же электромагнитной волны

should produce perfectly consistent clocks.

у двух учёных получаться совершенно синхронные часы.

But before timekeeping could go fully atomic,

Но прежде чем перейти полностью на атомные часы,

countries had to decide which atom would work best.

странам нужно было решить, какой атом подходит для этого лучше всего.

This was the discussion in 1967,

Именно это и обсуждалось в 1967 году

at the Thirteenth General Conference of the International Committee

на 13-ой Генеральной конференции

for Weights and Measures.

Международного комитета мер и весов.

There are 118 elements on the periodic table,

В периодической таблице имеется 118 элементов,

each with their own unique properties.

и каждый из них обладает особенными свойствами.

For this task, the researchers were looking for several things.

В этом случае учёные искали элемент с несколькими свойствами.

The element needed to have long-lived

Электрон у него должен непрерывно колебаться на высоких частотах,

and high frequency electron oscillation for precise, long-term timekeeping.

тогда атомные часы будут точными и прослужат долго.

To easily track this oscillation,

Чтобы эти колебания было легко отслеживать,

it also needed to have a reliably measurable quantum spin—

у электрона ещё должен быть точно измеримый квантовый спин,

meaning the orientation of the axis about which the electron rotates—

то есть направление оси, вдоль которой вращается электрон,

as well as a simple energy level structure—

а также простая структура энергетического уровня —

meaning the active electrons are few and their state is simple to identify.

ведь активных электронов мало и их состояние легко определить.

Finally, it needed to be easy to vaporize.

И наконец, электрон должен легко испаряться.

The winning atom? Cesium-133.

Кто же победил?

Цезий-133.

Cesium was already a popular element for atomic clock research,

Цезий уже достаточно часто использовали в атомных часах в научных лабораториях,

and by 1968, some cesium clocks were even commercially available.

а в 1968 году атомные часы на основе атомов цезия появились в продаже.

All that was left was to determine how many ticks of a cesium atom

Осталось только определить, сколько колебаний в секунду

were in a second.

совершает атом цезия.

The conference used the most precise astronomical measurement

На конференции использовали точнейшие астрономические расчёты секунды,

of a second available at the time—

доступные в то время,

beginning with the number of days in a year and dividing down.

начали с количества дней в году и продолжали делить эти значения.

When compared to the atom’s ticking rate,

Если соотносить со скоростью колебания атома,

the results formally defined one second

то значение для одной секунды составило

as exactly 9,192,631,770 ticks of a cesium-133 atom.

ровно 9 192 631 770 колебаний

атома цезия-133.

Сегодня атомными часами пользуются

Today, atomic clocks are used all over the Earth— and beyond it.

не только повсюду на Земле, но даже за её пределами.

From radio signal transmitters to satellites

И в радиопередатчиках,

и в спутниках для глобальных навигационных систем

for global positioning systems,

these devices have been synchronized

такие часы синхронизированы

to help us maintain a globally consistent time—

и помогают нам придерживаться всемирно согласованного времени

with precision that’s second to none.

с непревзойдённой точностью.