ЛЮСТРА И АТОМ

Великий Галилей во время церковной службы обратил внимание на то, что одна из больших люстр собора качается, причем качается очень регулярно. Сравнив ритм ее колебаний с биением своего сердца, он убедился в том, что период движения люстры не зависит от ее размахов. Это побудило Галилея заняться изучением законов качания маятников. Он установил, что период маятника зависит от его длины. Из этих наблюдений родились маятниковые часы.

Вскоре Британское адмиралтейство объявило конкурс на часы, способные указывать точное время на борту корабля в условиях качки, — задача, недоступная маятниковым часам.

Премию получил Гюйгенс, более известный как создатель волновой теории света. Он изобрел вращающийся маятник с пружинкой — балансир, который тикает в миллионах хронометров, карманных и наручных часах.

Поколения часовщиков улучшали конструкцию часов, повышали их точность. Современные карманные и наручные часы лучших марок ошибаются не больше, чем на секунду в сутки. Морские хронометры отсчитывают время с погрешностью не более нескольких секунд в месяц. Специальные астрономические часы теперь снабжаются электрическим приводом, а их маятник качается в герметическом футляре, из которого откачан воздух. Ошибка таких часов не превышает одной секунды за год.

Это пока предел возможностей механических часов. Даже призвав на помощь электричество, механики не смогли продвинуться дальше в борьбе за точность отсчета времени.

Следующий шаг сделали радиоспециалисты. Это были А. Шайбе в Германии и Л. Эссен в Англии. Они создали кварцевые часы. Далеко не все здесь было новым. И до них радиоинженеры умели увеличивать стабильность частоты ламповых генераторов радиоволн, заменяя в них один из колебательных контуров пластинкой кварца. Но Шайбе не только научился делать очень хорошие кварцевые пластины, но соединил свой генератор со специальными радиосхемами, игравшими роль зубчатых передач в механических часах. Эти схемы преобразовывали высокую частоту колебаний кварцевого генератора в низкую частоту, пригодную для вращения маленького синхронного моторчика. Моторчик двигал стрелки, подобные стрелкам обычных часов. Кварцевые часы Эссена отличались, пожалуй, только тем, что он применял вместо кварцевых пластин — кольца, особым образом вырезанные из кристаллов кварца.

Кварцевые часы сразу превзошли лучшие маятниковые часы. Они работали так точно, что с их помощью удалось обнаружить неравномерность суточного вращения Земли. Это привело ученых ни больше ни меньше как к пересмотру представлений о роли часов!

Со времен Ньютона, знаменитые законы которого объединили астрономию с механикой, время стало таким же элементом науки, как пространство. Ученые исследовали движение небесных тел, работу механизмов — словом, все, с чем они имели дело в пространстве и во времени. Мир размещался в едином беспредельном пространстве, в котором подобно огромной реке текло единое время.

Три века в науке существовал строгий порядок, и почти три века люди не могли обнаружить ни малейшего отступления от этого порядка. Но в конце прошлого века Максвелл внес в учение об электричестве и магнетизме такую же ясность, как это сделал Ньютон для механики. Максвелл объединил учение о свете и. учение об электричестве. Из его теории следовала необходимость существования электромагнитных волн, длина которых в миллионы раз больше длины световых волн. Из его теории вытекало также существование эфирного ветра. Теория говорила, что эфир должен увлекать за собой электромагнитные волны так же, как воздушные потоки уносят с собой звук. Никто не думал тогда, что эфирный ветер унесет навсегда ньютоновское абсолютное время.

Теория предсказывает, а эксперимент… Что же сказал эксперимент?

Эксперимент, выполненный Герцем, действительно привел к открытию электромагнитных волн длиной в несколько десятков сантиметров (длина волны света измеряется десятыми долями микрона — десятитысячными долями сантиметра). Вскоре Попов применил герцевские волны для связи. Родилось радио, а электромагнитные волны длиной от миллиметров до километров получили название радиоволн. Так эксперимент подтвердил одно из предсказаний теории Максвелла.

Осталось подтвердить второе. Но эксперимент, выполненный блестящим американским физиком Майкельсоном, не обнаружил предсказанного эфирного ветра. Может показаться, что в этом нет ничего особенного. Нужно только поставить более точный опыт — и теория будет подтверждена полностью. Однако все было не так-то просто.

Отрицательный опыт Майкельсона стал первым ударом колокола, возвестившим о кризисе старой физики и предстоящем рождении новой. Дело в том, что Майкельсон был первоклассным экспериментатором и достигал выдающейся точности. Его филигранный опыт обнаружил, что теория Максвелла, считавшаяся непогрешимой, не соответствует реальному миру.

Опыт — высший судья науки. Конечно, ни один судья не гарантирован от ошибок. Но не в этом случае. Здесь ошибка не превышала одной миллионной.

И Майкельсон и другие ученые многократно повторяли этот опыт в различных вариантах и лишь увеличивали точность, с которой установлен факт расхождения теории и эксперимента. Они не могли обнаружить ни малейшего дуновения эфирного ветра. И нет-нет, а у кого-нибудь из них да появлялось крамольное сомнение: полноте, существует ли вообще это порождение фантазии Максвелла? Не выдумка ли это? А выдумка, надо сказать, была красивой и соблазнительной. В науке не часто рождаются такие вот «летучие голландцы», которые пригрез-ятся вдруг гению и будоражат потом не одно поколение ученых-мечтателей, пока трезвый опыт или расчет не изгонит его со страниц истории.

Эфирный ветер! Эфир физиков не имел ничего общего с тем эфиром, который применяется при хирургических операциях или в химчистке для вывода жирных пятен. Эфир физиков — это эфир поэтов, эфир древних мыслителей, нечто нематериальное, неуловимое — символ пустого пространства. Эфир физиков — это гипотетическая среда, в которой распространяются свет и радиоволны, — словом, все электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла. Ничем другим этот эфир и не должен был проявлять себя. Этим он ставил себя вне опыта и даже вне здравого смысла.

Воздух, в котором распространяются звуковые волны, ведет себя иначе. Все живое, кроме некоторых бактерий, дышит им. Мы можем откачать воздух из сосуда, тогда внутри сосуда исчезнут и всякие звуки. Мы можем охладить воздух и превратить его в жидкость. Мы можем изменить его состав, сжигая в нем горючие вещества. При этом одна часть воздуха — кислород — исчезает. То есть воздух можно «пощупать», взвесить, уничтожить, создать. Ничего подобного сделать с эфиром (даже теоретически!) было нельзя. Словом, воздух материален, а эфир нет. Это нечто такое, с чем наука никогда раньше не имела дела. Впрочем, разве только теплород? И надо сказать, сходство оказалось роковым, эфир разделил судьбу теплорода. Они оба оказались просто курьезом.

Но прежде чем ученые убедились в этом, они делали все возможное, чтобы поймать эфирный ветер. И казалось, сделать это нетрудно. Ведь стоя на Земле, несущейся по своей орбите сквозь эфир, мы должны заметить ее движение так же, как слепой человек может определить движение парохода с палубы или поезда с платформы открытого вагона. И так же, как обыкновенный ветер несет с собою пыль — и песок, эфирный несет с собой световые волны. И, заметив, как меняется их скорость, можно таким, правда косвенным, способом доказать существование самого эфирного ветра. Вот на что рассчитывали экспериментаторы.

Сейчас трудно найти человека, который не знал бы, к чему привел опыт Майкельсона. В 1905 году Эйнштейн, исходя из того, что опыт Майкельсона доказал отсутствие эфирного ветра и обнаружил новое свойство природы — независимость скорости света от движения источника, создал теорию относительности. Оказалось, что течение времени в движущихся телах зависит от их скорости и именно это делает невозможным обнаружение эфирного ветра. Впрочем, теория относительности сделала ненужным для науки само понятие эфира. Эфир полностью перешел во владение поэтов. А фантасты получили в подарок вполне реальную, хотя пока технически не реализуемую, возможность «омоложения» при дальних космических полетах.

Прошло еще около десяти лет, и Эйнштейн сделал следующий шаг. Скорее это был огромный скачок. Он создал новую теорию, ее называют теперь теорией тяготения. Из этой теории следовало, что время зависит не только от скорости движения, но и от близости больших тел. Например, вблизи Солнца время течет медленнее, чем вдали от него. Великий и неизменный поток ньютоновского абсолютного времени был заменен живой рекой, задерживающей свой бег у массивных звезд и спокойно струящейся в пустом пространстве.

Сколь ни значительны изменения в представлении о времени, вытекающие из работ Эйнштейна, они не коснулись способов измерения времени. Как и миллионы лет назад, люди измеряли время по Солнцу и звездам, а Эйнштейн лишь научил их, как пересчитывать время, измеренное на Земле, ко времени, текущему на других планетах и звездах. При этом часы, как и в старину, нужны только для того, чтобы делить сутки на все более и более мелкие части. И сегодня мы, так же как египтяне в древности, делим день и ночь на двенадцать частей, посвящая каждую не богам, как делали они, а своим современным заботам.

Хотя все живое соразмеряется с видимым движением Солнца, измерять время по Солнцу неудобно. Оно слишком велико и светит слишком ярко. Наблюдать за такой «стрелкой» трудно. И астрономы решили: лучше выбрать за стрелку небесных часов какую-нибудь звезду и отсчитывать время по ее видимому движению. Например, считать за сутки время между двумя высшими положениями этой звезды на небосводе.

Точность при этом увеличилась, но возникла новая трудность — часы, отрегулированные по звездам, идут иначе, чем сверенные по Солнцу. Солнечные часы идут медленнее, чем звездные. И разница составляет 4 минуты в сутки. Так что, вздумай мы жить по звездным часам, нам пришлось бы со временем спать днем и бодрствовать ночью. (Это происходит из-за вращения Земли по ее орбите вокруг Солнца, приводящего к видимому движению Солнца по небосводу.)

Но законы Ньютона, а затем и теория Эйнштейна увязали время, измеряемое по вращению Земли вокруг оси (звездное время), с солнечным временем, учитывающим также движение Земли по орбите. Длительные наблюдения позволили определить отношение средних солнечных суток к звездным суткам. Получилось очень неудобное число — 1,0027378118868. Но очень надежное. Неточна здесь только четырнадцатая цифра. Это число учитывает даже такие «детали», как изменение скорости Земли на различных участках ее орбиты.

Но недаром Майкельсон говорил, что в наш век открытия лежат за шестым знаком точности. Как только точность кварцевых часов перевалила за восьмой знак, оказалось, что вращение Земли вокруг ее оси, которое считалось воплощением равномерного течения времени, непостоянно! Великолепная четырнадцатизначная точность, о которой мы только что говорили, получена не только усреднением солнечных суток, но и усреднением звездных, которые до того казались идеально постоянными.

Впрочем, обнаружив неравномерность вращения Земли, астрономы вспомнили, что их предшественники еще в прошлом веке замечали неувязки между вычисленными положениями Луны и планет и их видимым положением. Чтобы объяснить расхождения, они предлагали различные весьма сложные теории; причем для каждого вновь открываемого расхождения приходилось создавать новую, не связанную с прежними гипотезу. Правда, какие-то намеки на закономерность в этих беспорядках наводили ученых на мысль о том, что они вызваны общей причиной. Но никому в голову не приходило искать эту причину в нерегулярности вращения Земли. Это казалось слишком дерзким.

Теперь, когда неравномерность суточного вращения стала бесспорным фактом, все затруднения, о которых мы говорили, разом исчезли, а многочисленные гипотезы стали ненужными.

При помощи кварцевых часов удалось заметить много новых фактов. Оказалось, что, помимо давно известного замедления скорости вращения Земли из-за приливного трения (это замедление очень равномерно и составляет 0,001 секунды за 100 лет и уже давно учитывается астрономами), существуют периодические и даже беспорядочные вариации длительности суток. Ученые установили, что периодические вариации вызваны тем, что сила приливов зависит от сочетания положения Луны и Солнца. Это вызывает изменение длительности суток с периодом от полумесяца и месяца до 9 и 18 лет. Беспорядочные, но заметные при помощи кварцевых часов нарушения равномерности суточного вращения Земли вызываются и мощными движениями атмосферы, и влиянием вспышек солнечного излучения на движение заряженных частиц, окружающих Землю, и сложными движениями земной коры, а может, и более глубоких ее слоев, и какими-то еще. неведомыми причинами.

Во всяком случае, ученые убедились: суточное вращение Земли, измеряемое по видимому положению звезд, не может быть основой счисления времени.

Астрономы попытались выйти из положения, приняв за основу измерения времени годичное движение Земли вокруг Солнца. Они вычисляют его с огромной точностью, основываясь попросту на законах Ньютона и его абсолютном времени. Тут оно не подводит. Теория относительности привела лишь к очень малым поправкам, доступным наблюдению только для планеты Меркурий. Движение Земли по ее орбите очень стабильный процесс, и он уже некоторое время служит основой секунды. Правда, за увеличение стабильности пришлось заплатить уменьшением точности измерений. Мы оказались сидящими на стрелке этих новых астрономических часов, и определить точное положение стрелки, затрачивающей на обход циферблата целый год, дело нелегкое.

Ученые решили облегчить свой труд и увеличить точность измерения, избрав для определения времени самую быструю стрелку на циферблате неба — Луну. Законы небесной механики связывают между собой движение Луны и движение Земли по их орбитам точнее, чем зубчатые колеса часов связывают движение минутной и часовой стрелок. Измеряя движение Луны вокруг Земли, можно вычислить секунду, определяемую формально из движения Земли вокруг Солнца. Ведь в законы движения обоих светил — дневного и ночного — входит одно и то же время, время из уравнений Ньютона. Но и Луна оказалась ненадежным помощником. Хоть она и обращается по своей орбите лишь за 28 суток, «лунная секунда» не была точнее «звездной». Чтобы сделать ее надежней, надо вести наблюдения и вычисления по крайней мере лет пять! Пять лет регулярных наблюдений (прерываемых только ненастными ночами), во всеоружии новейших астрономических приборов, сложных фотографических процессов, быстродействующих электронных вычислительных машин.

В соревновании за точное время победили не гордые и величественные светила, а скромные молекулы и атомы. Атомные часы оказались гораздо более точными. Молекулы и атомы в квантовых генераторах излучают радиоволны с такой постоянной частотой, что ни один другой процесс не может соревноваться с ними по четкой периодичности. С периодом их колебаний, с этой «атомной секундой» и решили ученые сверить другие часы. Но это удалось не сразу.

Первые сообщения об атомных часах появились в 1952 году, когда Г.

Лайон в США сверил кварцевые часы, правда, не с периодом колебаний молекул аммиака в молекулярном генераторе, а с их спектральной линией поглощения в радиоспектроскопе.

Но он потерпел неудачу. Атомные часы еще не «созрели». Спектральные линии аммиака, наблюдаемые в радиоспектроскопе, были очень широкими, и новые «атомные» часы шли менее точно, чем хорошие кварцевые часы. Мы взяли здесь слово «атомные» в кавычки не только потому, что новый прибор оказался недостаточно хорошим, а из-за того, что его правильнее называть молекулярными часами. Ведь в нем наблюдался не спектр какого-либо атома, а спектр молекул аммиака. Но, как видно, прилагательное «атомный» было в то время слишком притягательным.

Настоящие молекулярные часы, которые по точности превзошли кварцевые, были впервые запущены в Физическом институте АН СССР. Басов и его сотрудники избрали при этом простую, но надежную схему импульсного регулирования. Идея была такова. Хорошие кварцевые часы при помощи специальных радиосхем сравниваются с молекулярным генератором. Как только ошибка кварцевых часов превзойдет заранее выбранную малую величину, в них автоматически вводится нужная поправка.

В Институте радиотехники и электроники АН СССР были разработаны более совершенные системы. Одна из них основана на непрерывной подстройке хода кварцевых часов по сигналу молекулярного генератора, причем подстройка производится, как говорят специалисты, с точностью до фазы. Это значит, что частоты колебаний обеих частей устройства — кварцевых часов и молекулярного генератора — всегда полностью совпадают. Вторая система, разработанная в этом институте, имеет то преимущество, что она совершенно исключает внешнее воздействие на сердце кварцевых часов — кварцевый резонатор. Схема автоматически, по сигналу молекулярного генератора, вычисляет ошибку кварцевых часов и так же автоматически вычитает из их показаний эту ошибку, выдавая время, полностью определяемое молекулярным генератором.

Может возникнуть вопрос: зачем же нужны такие ухищрения, почему нельзя управлять ходом часов непосредственно при помощи молекулярного генератора, не привлекая на помощь кварцевые часы?

Как и во многих других случаях, здесь прямой путь не является наилучшим. Ведь мощность молекулярного генератора не превышает миллиардной доли ватта. Этим не повернешь никакой стрелки. Между молекулярным генератором и часами нужно включить подходящий усилитель. Кроме того, необходимо преобразовать период его колебаний поближе к периоду часов. Ведь период вращения секундной стрелки равен минуте, а период колебаний молекулярного генератора составляет лишь одну двадцать четвертую от миллиардной части секунды. Учтите, что и усиление мощности и преобразование периода нужно осуществить без потери точности. Именно поэтому оказалось удобным строить молекулярные часы, используя в них в качестве составной части стабильные кварцевые генераторы.

Пока ученые мудрили, приспосабливая молекулярный генератор для подстройки часов, у него появился опасный конкурент. Он сразу же захватил поле боя. Родились удивительные часы: не просто точные, а претендующие на звание эталона времени. Они тоже вели свое начало от радиоспектроскопа, но не от известного нам радиоспектроскопа Басова и Прохорова, а от совсем другого, родившегося еще в 1937 году. Вы вправе удивиться и спросить: позвольте, радиоспектроскопия появилась в сорок пятом, а автор говорит о тридцать седьмом годе — не ошибся ли он? Нет, не ошибся. Это один из курьезов науки, если угодно — результат бега по пересеченной местности, когда спортсмен не всегда видит тех, кто впереди и позади него.