Попытаемся оценить, насколько серьезны отклонения от монохроматичности. Знаете ли вы, что одним из первых практических применений мазеров стало использование их в качестве атомных часов? До 1957 года самыми точными часами в мире считалась наша старушка Земля, причем учитывалось ее вращение вокруг собственной оси. Развитие науки и техники потребовало часов более точных. С 1957 по 1967 год для точного измерения промежутков времени стали использовать движение Земли по орбите вокруг Солнца. Погрешность таких часов составляла 10-8, т. е. относительная погрешность измерения времени равнялась одной миллионной доле процента.
В 1967 году впервые появились часы, где роль маятника играли атомы цезия-133. Точнее, использовались кванты, излучаемые при переходе электронов между двумя определенными уровнями сверхтонкой структуры основного состояния этих атомов. И здесь удалось перехитрить природу. Вместо того чтобы использовать переходы между возбужденным и основным или двумя возбужденными состояниями, решили использовать переходы внутри одного и того же состояния. Это позволило избежать ошибки, связанной с размытостью отдельных энергетических уровней.
Каков результат? Погрешность цезиевых часов определяется величиной порядка 10~и, т. е. относительной погрешностью в одну миллиардную долю процента. Что же касается Земли, то из эталона времени она превратилась в объект для проверок. И не зря. Оказалось, что часы Земля не так уж точны. Они «ходят» в тысячу раз хуже цезиевого эталона.
Начиная с 1967 года секундой стали называть интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 77Q колебаний в цезиевых часах. Аналогичным образом изменилось и определение единицы длины — метра. Теперь метр — это расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.
Вы, вероятно, полагаете, что по крайней мере одну из множества задач, стоящих перед квантовой электроникой, наконец-то удалось решить до конца? Ничего подобного! 1967 год как раз и следует считать годом начала яростной борьбы за точность.
Вперед и выше
Если на расстоянии между зеркалами мазера укладывается целое число длин волн усиливаемого излучения, то возникает эффект дополнительного усиления. Из множества фотонов почти с равными частотами, а значит, и длинами волн выделяются те, длина волны которых целое число раз укладывается в промежутке между зеркалами. Что делать, если расстояние между зеркалами изменилось, например, при колебаниях температуры? Ничего, в таком случае вводится в действие система автоматического регулирования расстояния. Много и других усовершенствований позволило на сегодня достигнуть точности атомных часов порядка 5-Ю-14, т.е. за 700 ООО лет непрерывной работы в атомных часах накопится ошибка не более чем в 1 с. Это не предел, а очередной достигнутый рубеж.
Зачем нужна такая фантастическая точность? Нет ли здесь погони за чисто спортивными рекордами? Ничего подобного. По словам академика Н. Г. Басова, лауреата Нобелевской премии, «точные измерения длины времени и частоты важны не только для практики, но и для фундаментальной науки. Они открывают возможность проведения прецизионных экспериментов, в том числе по проверке физических теорий, предсказывающих очень слабый эффект. К подобным теориям, в частности, относится общая теория относительности. Сегодня ее следствия проверены с погрешностью около 1%, что само по себе представляет выдающееся достижение».
