Первичный эталон времени, частоты и длины состоит из двух аппаратурных комплексов, включающих десятки сложнейших приборов. И все же основа этого эталона — часы. Мы привыкли к тому, что любые более — менее точные часы (т.е. не солнечные, не водяные и не песочные) имеют маятник. Эталонные часы тоже не обошлись без него.

Чудесное это устройство— маятник. Подвесьте камень к веревке, раскачайте его, и маятник готов. Период колебаний такого маятника зависит от длины веревки и ускорения свободного падения в данной точке Земли. Свойства маятника используются во множестве приборов, определяющих не только время, но и ускорения силы тяжести, ускорения движущихся тел, моменты инерции тел и т.д.

В 60-х годах, сравнительно недавно, были созданы часы Федченко. Колебания маятника в них возбуждались специальным электромагнитным устройством, а стабильность колебаний обеспечивалась самыми хитроумными приспособлениями. Примерно за пятнадцать лет часы Федченко отставали всего на одну секунду. Нужна ли была еще большая точность?

Конечно, нужна. Вспомним хотя бы о космосе. Траектория движения спутника зависит от точности включения и выключения его двигательных установок. Ошибка на долю секунды может привести к тому, что корабль либо сгорит в плотных слоях атмосферы, либо навсегда оторвется от родной Земли...

Не удивительно, что в наш атомный век часы Федченко были заменены в эталоне атомными часами, в которых роль массивного инерционного маятника выполняет невидимый глазу электрон. При переходе с одного энергетического уровня на другой электрон совершает очень большое, но очень стабильное число колебаний.

Итак, вместо груза — электрон, вместо стержня или нити — силы притяжения электрона к ядру атома. Что это дает?

Атомная секунда воспроизводится с относительной погрешностью, не превышающей 1,5 • 1СГ13.

Из определения относительной погрешности следует, что 5 = А/А; А = Д/5, где 5 — относительная погрешность; Д — абсолютная погрешность, А — воспроизводимая (или измеряемая) величина.

Примем, что 5 = 1,5 • 10 13, а Д = 1 с. Тогда Л * 6,7 • 1012 с. Это значит, что абсолютная погрешность, равная одной секунде, „набежит в атомных часах за 6,7 • 1012 с. Учтем, что в сутках 86400 с, а год содержит 86400 X X 365,2422 = 31556926 с. Разделив 6,7 • 1012 с на это последнее число, получим примерно 213 тыс. лет. Такая точность атомных часов первичного эталона времени, частоты и длины — на грани возможного.

. . .В 1967 г. резолюцией XII! Генеральной конференции по мерам и весам было принято определение новой, атомной секунды, равной 9192631770 периодам излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133. Почему именно цезий был избран в качестве основного материала для воспроизведения эталонной секунды? Чем прельстил специалистов этот редкий в природе щелочной металл с золотисто-желтым оттенком? Стабильностью, то есть неизменностью во времени основных свойств. А точнее: постоянством частоты спектральной линии. Кроме того, цезий имеет сравнительно низкие температуры плавления и кипения, что обеспечивает удобство использования его в эталонах.

В основе конструкции применяемого во многих лабораториях цезиевого эталона частоты — источник цезиевого атомного пучка. Это печка, поддерживающая температуру до 150°С. Печка имеет форму контейнера с каналами, формирующими пучок атомов, вылетающих из источника. Контейнер загружается цезием. Пары расплавленного кипящего цезия — почти идеальный поставщик атомного пучка с необходимыми резонансными свойствами. Так как температура печи сравнительно невысока, скорости атомов в пучке тоже невелики, и их резонансная линия достаточно узка.

Основной электронный уровень атома цезия расщеплен в силу его природных особенностей на ряд подуровней. Такая структура атома называется сверхтонкой. При переходе электрона с одного уровня сверхтонкой структуры на другой уровень атом излучает энергию на определенной сверхвысокой частоте. Именно эта частота, называемая частотой спектральной линии, обладает завидным постоянством, подтвержденным исследованиями многих ученых разных стран.

Частота эта, равная 9192,63177 МГц (это и есть число периодов излучения из определения атомной секунды, поскольку приставка „мега соот-

ветствует множителю 106), очень мало зависит от характеристик внешних электромагнитных полей, давления, плотности пучка и других факторов.

Рассмотрим путь атомов цезия, летящих от контейнера к приемнику атомного пучка. Сначала они проходят отклоняющие магниты, отбирающие атомы с частотой собственных колебаний 9192,63177 МГц. Затем атомы цезия облучаются внешним сверхвысокочастотным радиосигналом, частота которого должна быть равна частоте колебаний атомов цезия, но может колебаться вокруг значения этой частоты спектральной линии под влиянием внешних возмущающих вредных воздействий. Наконец, облученный пучок атомов „обстреливает раскаленную вольфрамовую проволочку — приемник атомов цезия. При „обстреле приемник заряжается электрически, и заряд его регистрируется индикаторным прибором. Если частота внешнего облучения точно совпадает с частотой собственных колебаний атомов цезия, показания индикатора вследствие явления резонанса максимальны. Малейшее отличие частоты внешнего сигнала от частоты спектральной линии приводит к резкому уменьшению показаний индикатора и к автоматической подстройке частоты облучения.

Максимум показаний индикатора чувствуется с точностью до малых долей герца, то есть абсолютная погрешность воспроизведения внешней частоты облучения ничтожна по сравнению со значением этой частоты. Так поддерживается фантастическое постоянство частоты внешнего облучающего сигнала. Но ведь частота — это число колебаний в единицу времени. Стабильна частота — стабильна и единица времени, поскольку отсчитать автоматически необходимое число колебаний нетрудно. Таким образом и получается, что погрешность в одну секунду накапливается в эталонных часах сотни тысяч лет.

С частотой и временем мы немного разобрались. Попытаемся перейти от них к длине. Как возникла идея объединить такие разные эталоны? Идея эта существовала давно. Ведь любой отрезок длины — это путь, на преодоление которого лучу света требуется определенный интервал времени. А путь равен скорости, умноженной на время. Именно поэтому, переводя приближенно частоту работы радиостанции в длину волны, выраженной в метрах, мы делим число 300 на значение частоты в мегагерцах.

И вот в октябре 1983 г. XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение единицы длины: „метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени, равный 1/299792458 с . Нетрудно догадаться, что число, указанное в знаменателе интервала времени, равное скорости света в вакууме, выраженной в метрах на секунду (м/с).

Можно ли было дать подобное определение метра раньше, до 1983 г.? Оказывается, нет. Главным препятствием была низкая точность измерения скорости света. Эта фундаментальная физическая постоянная лежит в основе теории относительности и является пределом скорости распространения любых физических воздействий. Ее мечтал измерить еще Галилей. Скорость света, или любых других электромагнитных волн, не зависит от скорости движения источника этих волн.