ОТ РАБИ ДО ЭССЕНА

Раньше всего успех пришел к английскому ученому Люису Эссену.

Эссен давно известен своими выдающимися радиофизическими исследованиями. Он в течение многих лет работает в Национальной физической лаборатории, расположенной в небольшом городке Теддингтоне графства Мидлсекс вблизи Лондона.

Мы уже встречали его как одного из создателей кварцевых часов. Кварцевые кольца Эссена, разработанные в конце двадцатых годов, сделали его имя широко известным среди радиоспециалистов. Впоследствии он завоевал признание систематическими и плодотворными исследованиями вращения Земли, точнейшими измерениями скорости света и многими другими тонкими исследованиями.

Оригинальные черты Эссена-исследователя, пожалуй, рельефнее всего проявились именно в работе над измерением скорости света. Для того чтобы увидеть всю оригинальность его метода, стоит немного остановиться на работах предшественников.

Первым около 300 лет назад за это взялся астроном Олаф Рёмер. Для измерений скорости света нужно иметь очень точные часы и работать с большими расстояниями, на преодоление которых свет затрачивает заметное время. В качестве часов Ремер использовал вращение спутников Юпитера, а стрелкой ему служили моменты их затмений, когда тень планеты закрывала спутники.

Ремер заметил, что промежутки времени между затмениями периодически изменяются. Он правильно понял, что причиной изменений является непостоянство времени, затрачиваемого светом на пробег к Земле при удалении или приближении Юпитера. Измерения Рёмера с нашей точки зрения очень грубы, но, применяя его метод при современной технике наблюдений, можно получить неплохие результаты.

Примерно через сотню лет астроном Джеймс Брадлей заметил, что скорость падения дождевых капель можно определить, измеряя угол, под которым капли пересекают боковое стекло движущейся кареты. Наша «карета» — Земля движется в пространстве. Поэтому фотоны, падающие на Землю от удаленных звезд, тоже летят немного наискосок. Хотя образуемый при этом угол очень мал, Брадлей измерил его и получил значение скорости света, отличающееся от современного всего на один процент.

Прошло еще около ста лет, и Арман Физо применил зубчатое колесо для измерения времени прохождения света от источника до удаленного зеркала и обратно. При подходящей скорости вращения свет, прошедший между одной парой зубьев, возвращался между следующей. Вскоре Леон Фуко заменил в аналогичном опыте зубчатое колесо вращающимся зеркалом.

Сорок лет назад известный уже нам замечательный экспериментатор Майкельсон довел этот метод до высокого совершенства и, проведя опыт между горами Вильсон и Антонио в Калифорнии на расстоянии около 35 километров, измерил скорость света с точностью до одной стотысячной. Одним из основных источников ошибки при этом было отсутствие точных данных о температуре, давлении и влажности воздуха на всем пути светового луча.

Для дальнейшего увеличения точности нужно было переходить к измерениям в вакууме. Но при этом точность измерения уменьшалась из-за уменьшения достижимых размеров установки. Трудность удалось в существенной мере преодолеть применением новейших методов прерывания света, но это не привело к заметному улучшению результатов Майкельсона.

Так обстояло дело с измерением скорости света, когда этой задачей заинтересовался Эссен. Его подход к задаче поразил оптиков. Он отказался от применения света. Будучи радиофизиком, он предпочел иметь дело с радиоволнами. Впрочем, скорость радиоволн измеряли и другие ученые, в частности Мандельштам и Папалекси. Но они имели в виду другие цели и изучали распространение радиоволн в земной атмосфере. Переход от их результатов к скорости электромагнитных волн в пустоте был сопряжен с теми же трудностями учета влияния атмосферы, которые остановили Майкельсона.

Но Эссен поставил себе четкую задачу и соответственно выбрал путь ее решения. Он остановился на сантиметровых волнах и решил вместо измерения их скорости между передатчиком и приемником свести дело к измерению времени их многократного прохождения между стенками объемного резонатора. Это время связано простыми формулами с размерами резонатора и его резонансной частотой. Поэтому фактически Эссен должен был точно измерить именно эти две величины.

Будучи, как и Майкельсон, первоклассным экспериментатором, Эссен отказался от таких помощников, как звезды и планеты, от колоссальных расстояний и провел необходимые измерения в специально приготовленном резонаторе, из которого был тщательно выкачан воздух. Учтя влияние электрических свойств стенок резонатора и всех вспомогательных элементов, он получил чрезвычайно точное значение скорости света.

Таков этот ученый, один из лучших современных экспериментаторов, задавшийся целью перевести английский эталон времени на квантовую основу. Для этого Эссен должен был превратить физический прибор, применявшийся до того лишь для исследования атомных ядер, в метрологическую установку. Он применил в ней метод разделенных полей Рэмси и провел чрезвычайно тщательное сравнение частоты наблюдаемой в ней спектральной линии цезия с группой превосходных кварцевых часов, контролируемых в течение длительного времени по астрономическим наблюдениям Гринвичской обсерватории. Изучив достаточно подробно свойства своей установки, разработав метод ее независимой настройки, Эссен смог объявить о том, что им созданы атомные часы, которые идут лучше любых известных в то время часов. Ошибка в одну минуту могла накопиться в них не скорее, чем за 300 лет.

В 1955 году, когда молекулярный генератор был лишь годовалым младенцем, Эссен уже мог включить свои часы в службу времени. Это были своеобразные часы. Сердцем их служила атомнолучевая трубка с пучком атомов цезия. Она обеспечивала рекордную точность отсчета частоты (а не времени). При этом атомная трубка не работала непрерывно. Ее непрерывная работа оказалась ненужной. Группа кварцевых часов, созданных Эссеном, была так хороша, что ошибка в одну сотую от одной миллиардной секунды накапливалась в них только за неделю. Поэтому достаточно было один раз в неделю включать атомнолучевую трубку и проверять при ее помощи ход кварцевых часов, измеряя частоту входящих в них кварцевых генераторов. При этом никакой регулировки кварцевых часов не производилось. Нужные поправки оставались на бумаге, а если ошибка часов накапливалась, то необходимая поправка вводилась один раз в год.

Длительная работа с атомным стандартом частоты позволила Эссену проделать новые, более точные исследования нерегулярности солнечной и эфемеридной секунды.

Не удовлетворившись достигнутым, Эссен построил огромную девятиметровую атомнолучевую трубку. Ее пришлось поместить вертикально, пробив перекрытие между двумя этажами. Но эта трубка не повысила точности измерений, и Эссен применил ее в качестве радиоспектроскопа для точного измерения частоты спектральной линии атомов рубидия.

За выдающийся вклад в науку, внесенный работами по созданию и применению атомного стандарта частоты, доктор Люис Эссен был в 1959 году награжден Академией наук СССР золотой медалью имени А. С. Попова. Вскоре после этого его работы получили достойную оценку и на Британских островах. Эссен был избран членом Королевского общества, играющего в Англии роль Академии наук.

Теперь цезиевые стандарты частоты работают во многих странах.

Точность их увеличилась еще в 10 раз, и ошибка в одну секунду накопится лишь за 3000 лет. Многое здесь сделали советские ученые, и можно не сомневаться в том, что и эта цифра не останется предельной.

Уже выпускаются сравнительно небольшие атомные часы, предназначенные для применения в лабораториях и в навигационных системах. Но это требует специального рассказа.

Молекулярный генератор потерпел поражение в соревновании с цезиевым стандартом частоты. По стабильности они оказались одинаковыми, но по точности определения частоты, удобству и простоте применения цезиевый стандарт оказался лучше. Сейчас молекулярный генератор оттеснен на второстепенные позиции. Он применяется в некоторых службах времени в качестве дублера, используется в лабораториях в качестве превосходного радиоспектроскопа и готовится к реваншу.

В Горьком и в Токио заработали генераторы на молекулах формальдегида, в Москве — на молекулах аммиака, в которых атомы водорода заменены дейтерием, в США для этой цели применили даже молекулы одного из самых страшных ядов — синильной кислоты.

Пока молекулярный генератор находится в стадии усовершенствования, он выслал на поле боя своего заместителя.