Лучшие из современных часов отстают лишь на одну секунду за 300 миллионов лет, и от их точности в наши дни зависит очень многое, отмечает корреспондент BBC Future.
Время — деньги. Особенно наглядно это было продемонстрировано в 09:59:59.985 по восточному стандартному времени 3 июня 2013 года. Из-за ошибки в настройке часов новостное агентство Рейтер выдало биржевую информацию всего-то на 15 миллисекунд раньше положенного. Но результатом стали сделки на сумму 28 млн долларов — их автоматически совершили роботы-трейдеры, начавшие торговать раньше других.
Технологии уже вышли на тот уровень, когда даже мельчайшие несоответствия в показаниях часов могут обойтись слишком дорого: мы стоим на пороге новой эры в измерении времени. Лучшие современные часы способны укладываться в секундную погрешность за 300 миллионов лет, и это далеко не предел. Эти точнейшие приборы играют ключевую роль во многих отраслях — от биржевой торговли до спутниковой навигации.
Достижения в области хронометрирования испокон веков сопутствовали прогрессу всей цивилизации — с тех самых пор, когда человек перестал полагаться на движение Солнца при измерении времени. К примеру, изобретение механических часов произвело революцию в мореплавании: такие часы позволяли морякам определять географическую долготу, в результате чего наступила эпоха открытий и колониализма. Способствовало это изобретение и развитию астрономии: наблюдатели получили возможность точнее измерять траектории небесных тел.
Эталонная частота
Но даже самые лучшие механические часы не отвечают современным требованиям. Часы с маятником, к примеру, спешат или отстают примерно на 15 секунд в день — а это целая вечность в сравнении с точностью атомных часов, которые изобрели 60 лет назад, и принцип их работы основан на воздействии на атомы цезия микроволновым полем. Его частота регулируется таким образом, чтобы микроволны полностью поглощались, а потом вновь испускались цезием.
В теории, это должно происходить, когда частота равна 9 192 631 770 колебаниям в секунду. Эти колебания представляют собой абсолютно постоянный процесс, используемый для отсчета времени — подобно тому, как мерное движение маятника регулирует ход механических часов.
Одни из самых точных атомных часов находятся в Национальной физической лаборатории в английском Теддингтоне — они ошибаются примерно на одну секунду в 138 миллионов лет. В прошлом году эти часы лишились чемпионского титула. Их обошли часы из Национального института стандартов и технологии в американском штате Колорадо — этот инструмент имеет погрешность в одну секунду за 300 миллионов лет. Достигнуто это было за счет охлаждения устройства до температуры жидкого азота, поясняет сотрудник института Стивен Джеффертс — это позволяет корректировать минимальные погрешности. На стену эти часы не повесишь, они занимают целую комнату. У них даже нет циферблата: они используются для измерения точности хода других атомных часов, чтобы их можно было лучше настроить.
«Если вы знаете, что ваши наручные часы отстают на 10 секунд в день, то вы можете воспользоваться этим знанием, чтобы регулярно подводить им стрелки», — приводит аналогию Джеффертс.
Соединенные между собой в сеть атомные часы позволяют устанавливать официальное точное время по всему миру. Вы наверняка сталкивались с работой этой системы — возможно, о том и не подозревая. Атомные часы, к примеру, помогают измерять частоты, на которых распространяется телевизионный сигнал. Принцип работы спутниковой навигации основан на измерении задержки сигналов, поступающих с разных спутников. Имея эту информацию, система способна определять расстояния и ваше положение в пространстве. Все это было бы невозможно без атомных часов, идущих с точностью до мельчайших долей секунды.
Проблемы в этой системе зачастую кроются не в хронометрировании как таковом, а в способах обмена информацией (как показывает упомянутый сбой в системе Рейтер). Леон Лобо из британской Национальной физической лаборатории отмечает, что в современной экономике важную роль играет высокочастотный трейдинг, когда биржевые сделки совершаются автоматическими системами за доли секунды. Но между часами разных финансовых организаций могут быть легкие расхождения.
«На микросекундном уровне погрешности у всех разное время, — говорит Лобо. — Если часы получателя спешат, то похоже, что он получает данные раньше, чем они были отправлены». Некоторые трейдеры могут пользоваться этим, чтобы зарабатывать деньги.
Цена времени
Спутниковые сигналы, используемые в системах навигации, могут помочь уравнять такие несоответствия, но они уязвимы для взлома. «За 20 фунтов (30 долларов) можно купить глушилку спутников навигации, которая покрывает территорию целого квартала», — отмечает Лобо. Иногда это даже делается случайно: к примеру, курьеры служб доставки могут применять эти устройства, чтобы менеджер не узнал об их отклонениях от маршрута. Но при этом сигналы навигационных спутников глушатся и в окрестных зданиях.
В качестве решения британская Национальная физическая лаборатория создала подземную сеть, посредством которой разные учреждения подключаются к атомным часам лаборатории, что позволяет им всем работать по одинаковому времени. Данные доставляются по закрытым линиям, по которым не передаются никакие другие сигналы. Таким образом, точное время стало своего рода коммунальной услугой, наподобие электричества или интернета, к которой можно подключиться при надобности.
«У пользователя появляется собственная сеть, доступ к точному времени через розетку в стене — остается только его использовать», — так Лобо описывает предоставляемые услуги.
Однако меньше чем через десятилетие даже суперсовременные по нынешним меркам атомные часы могут устареть, как бабушкины ходики. Вместо цезия конструкторы теперь используют в новых разработках другие материалы — к примеру, стронций, на который можно воздействовать видимым светом и который оказался еще точнее цезия. По словам Лобо, если бы такие часы существовали в момент Большого взрыва, то к нашему времени они не набрали бы большой погрешности: «Секунда накопилась бы за все время существования Вселенной».
Специалист отмечает, что подобные часы столь чувствительны, что на них будут сказываться постулаты теории относительности Эйнштейна. Согласно им, гравитация замедляет ход времени — то есть время идет немного быстрее, если вы находитесь на большой высоте. Известно, что даже современные атомные часы подвержены этому влиянию, и их показания зависят от высоты над уровнем моря. Но у оптических часов будет такая точность, что разница в их показаниях будет очевидна даже при незначительных перепадах высоты.
«Даже если поднять оптические часы всего на сантиметр, их частота изменится», — говорит Лобо. Такой инструмент может служить для измерения гравитации и изучения земных глубин — к примеру, для обнаружения запасов нефти или газа, меняющих земное притяжение в определенных географических точках. «В итоге им найдут такие вот побочные способы применения», — считает Лобо.
По мнению Джеффертса, нам, возможно, удастся обнаружить и нечто совсем неожиданное. Что если мы заметим, что частота часов меняется со временем? «Поневоле задумаешься: а не могут ли меняться и законы физики?» — говорит он. Пока что мы считаем, что эти законы неизменны.
История измерения человечеством времени учит нас тому, что каждый прорыв в этой сфере сопровождался другими открытиями — от мореплавания до появления спутниковой навигации и мобильной связи. Способны ли новые оптические часы совершить еще одну революцию? Время покажет.