dxdt.ru: занимательный интернет-журнал

Нередко попадаются сообщения про “новые, самые точные часы”, и речь там не про наручный хронометр с “фазами созвездий”, да по цене Чугунного моста, а про сложные физические эксперименты с “ионными оптическими часами” и тому подобными объектами, которые обходятся даже дороже. Традиционно пишут, что эти часы – позволяют очень точно измерять время. Время, согласно действующей системе единиц СИ, измеряется в секундах. Но что такое “секунда”?

Раньше секунду определяли асторономическими методами, на основе наблюдений вращения звёзд и Солнца вокруг Земли (тут нет ошибки: именно вокруг Земли). Этот вариант определения, фактически, базировался на предположении о точности и стабильности угловых измерений. В 1960 году от астрономического определения секунды отказались, как раз по причине непредсказуемых, – но наблюдаемых, – флуктуаций земного движения. Секунду привязали к атомным процессам.

Современное определение секунды базируется на предсказаниях Стандартной модели, а именно, на том, что, согласно этой модели, частоты внутриатомных процессов стабильны и универсальны, как “во времени”, так и в пространстве. Причём, “время” – означает лишь некий порядок подсчёта количества событий: что после чего произошло, в том смысле, что есть аппаратная реализация функции, различающей события, а раз события различаются, то, зафиксировав очередной переход между отдельными событиями, можно к их количеству прибавить ещё одно. Досчитали до заранее заданного количества, до 9192631770, как сейчас, – получили одну единицу измерения: секунду. Аппаратная реализация функции – это и есть сверхточные часы. А уж атомные они или оптические, не так важно. Важно, что тут нет “времени”, в том “научпоп” смысле, который в это понятие усиленно вкладывают.

Обобщённое “время”, из новостных публикаций про сверхточные часы, – лишь популярное упрощение. Есть рекурсивный термин – “интервал времени”. Рекурсия тут начинается с применения данного термина к определению секунды. Однако в физике вообще нет “времени”. Эксперименты со соверхточными часами, будь то лазеры с ионными ловушками или более привычные атомные часы, это всё наблюдение над различными “осцилляторами”. Подсчёт некоторых периодических физических событий, например, переходов между “состояниями”. Это означает, что увеличивать точность относительно имеющегося эталона можно без наличия доступа к неким “абсолютным часам”, несмотря на то, что “абсолютное время” то и дело упоминают: если вы подсчитываете наблюдаемае изменения состояния некоторого прибора, то вот этот процесс подсчёта, основанный на упорядочивании отметок о событиях – он и есть “время”, в каком-то смысле – “абсолютное”.

Подсчитываемые события – дискретные по определению, так что нельзя увидеть, что там внутри одного такта. Грубо говоря, пусть у нас есть некий механический маятник, который спрятан в ящик и поэтому его не видно, однако в крайних положениях он замыкает электрические контакты, провода от которых выведены наружу ящика, поэтому можно считать импульсы, соответствующие крайним положениям, но нельзя достоверно определить, насколько маятник в своём движении близок к тому или иному контакту, пока этот контакт не сработал. Маятник может сколько угодно “долго” зависать в своём очередном интервале, между контактами, однако узнать о том, насколько долгим было это “долго” – не получится: на подсчёт тактов задержка никак не повлияет, поэтому она останется виртуальной.

Можно строить “рекурсивные маятники”, один за другим, соединяя их ящики таким образом, что для каждого следующего маятника выбранная теоретическая модель предсказывает, что за один такт маятника из предыдущего шага этот новый маятник – выдаёт несколько тактов, повышая разрешение. Вот только как понять, что очередной источник тактов подключился именно к основному тактовому генератору симулятора вселенных? Можно ли локально тактировать устройство с более высокой частотой, чем у основного “вселенского генератора”? Это всё сложные вопросы. К физическому измерению осцилляторов они не относятся. Так что эталон времени – это просто эталон частоты. Но этот эталон важен для процесса интерпретации действительности.

Зато к секунде, получаемой путём подсчёта переключений осцилляторов, привязано много других единиц СИ. Собственно, все, кроме моля. Так что косвенно секунда влияет на всё калибровочное оборудование, даже на оборудование для калибровки термометров. Кочнено, точность там не та, чтобы увидеть даже микросекунду, но связь всё равно есть. (В этом контексте корректировки определений занятно выглядит широко используемая сейчас при оценке изменения климата “точность” в десятые доли градуса, на интервале в полтора столетия.)

С эталонными источниками частоты/времени связана одна большая проблема: как их синхронизировать между собой? Аппаратура, на которой ведут сверхточные подсчёты эталонной частоты, очень чувствительна. Настолько чувствительна, что для конкретной локации, в которой работают такие часы, требуется учитывать гравитационный потенциал, задающий локальную практическую систему отсчёта. Что уж там говорить про колебания почвы, вызванные проезжающим мимо трамваем. Для дистанционной синхронизации таких часов сейчас используют спутниковые радиосигналы, а также и опотоволоконные линии связи. Оптоволокно в чём-то даже лучше.

Погрешность синхронизации – как раз задаёт разумный предел точности определения секунды. Скажем, если не получается синхронизировать часы с точностью лучше, условно, чем одна миллионная, то какой смысл вводить стандартное определение на уровне одной миллиардной? Ведь даже если один эталон удастся признать стабилизированным на нужной частоте, то как передать такое точное время на другие устройства? Никак. Естественно, одна миллиардная – условное число, современные эталоны точнее. Но смысл – имено такой.

Секунду в стандарте собираются переопределять. Возможно, это сделают уже в 2030 году (популярная дата). И тут прямо учитываются возможности трансляции эталонной частоты другим участникам обмена временем: если точность передачи не превышает имеющееся определение секунды, то нет причин и для переопределения. Речь тут идёт о величинах порядка 10^(-18). А помимо точных методов синхронизации по оптоволокну, разрабатывают и специальные оптические часы-эталоны, которые можно физически перевозить с места на место, сохраняя высокую точность (очевидно, с коррекцией по траектории, в том числе, гравитационной).

Новое определение секунды, в теории, может получить и полностью новый физический смысл: скажем, могут зафиксировать значение массы электрона, что позволит строго привязать секунду к прочим константам. Есть и другие варианты: например, поменяют точное значение количества импульсов, взяв за основу более высокочастотный осциллятор.

Конечно, тут наиболее интересен вариант с привязкой к фундаментальным константам, ведь именно он очередной раз подчёркивает, что, с точки зрения торетического аппарата современной физики, масса, энергия – это всё просто математические параметры: то есть, буквально, “значения переменных”. Только такая трактовка и позволяет записывать полезные “законы физики”, например, второй закон Ньютона. А времени там тем более нет.

Адрес записки: https://dxdt.ru/2025/07/21/16016/