Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева

Английское бюро национальных стандартов выступило с амбициозным заявлением: каждая универсальная единица должна быть такой, чтобы ученый мог переслать по электронной почте определение этой единицы коллеге на другой континент, а коллега мог легко сам получить ее эталон, просто воспользовавшись параметрами, указанными в письме. Эталон килограмма не соответствует этому требованию, и никому пока не удалось определить эту единицу точнее, чем при помощи невысокого блестящего кованого цилиндра, хранящегося в Париже. Конечно, предлагались и другие варианты выведения эталона килограмма, но они практически неприменимы на практике, так как требуют либо подсчитывать триллионы атомов, либо выполнять измерения, слишком точные даже для самых современных инструментов. Невозможность решения этой проблемы с килограммом – так, чтобы ни утяжелить, ни облегчить эталон ни на самую малость, – вызывает все большее беспокойство и раздражение в международных масштабах, как минимум среди дотошных метрологов.

Проблема стала тем более острой, когда килограмм остался единственной единицей измерения, чей эталон имеет искусственное происхождение. На протяжении большей части XX века в Париже хранился эталон метра – платиновый стержень, имевший длину 1,000000000… метра. Но в 1960 году ученые дали новое определение метра, обозначив эту единицу как 1 650 763,73 длины волны оранжевого света, проходящего через атом криптона-86. Это расстояние практически идентично длине старого доброго стержня, но теперь платиновый эталон метра уже устарел, поскольку длина волны оранжевого света в любом атоме криптона в вакууме всегда остается одинаковой. Такое определение можно переслать по электронной почте. С тех пор ученые-метрологи предложили еще одно определение метра: это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458-ю долю секунды.

Аналогично, официальным определением секунды считалось время, за которое Земля преодолевает путь в 1/31 556 992 околосолнечной орбиты (это 365,2425 суток). Но нашлись некоторые неудобные факты, из-за которых пришлось отказаться от этого стандарта. Длина года – не календарного, а астрономического – разная при каждом обороте Земли вокруг Солнца. Виной тому приливы, которые постепенно искривляют земную орбиту и замедляют планету. Чтобы скорректировать эту неточность, метрологи раз в три года добавляют к календарю корректировочную секунду. Это происходит в полночь 31 декабря, когда ее обычно никто не замечает. Но корректировочные секунды – это некрасивое, временное решение. Специалисты американского бюро стандартов решили, что не стоит привязывать единицу времени, претендующую на универсальность, к периоду обращения крохотной планетки вокруг заурядной звезды. Поэтому были изобретены атомные часы, в основе работы которых лежит радиоактивный распад цезия.

Механизм работы атомных часов связан с тем самым процессом стремительного подъема и спуска возбужденных электронов в атоме, который уже обсуждался выше. Но атомные часы также используют и более незаметные движения, укладывающиеся в «тонкую структуру» электрона. Если обычный прыжок электрона напоминает изменение голоса вокалиста, который пел ноту «соль» и сразу перешел на ноту «соль» другой октавы, то движение в рамках тонкой структуры напоминает изменение высоты с «соль» до «соль-диез». Проявления тонкой структуры наиболее заметны в магнитном поле и обычно обусловлены факторами, которые можно смело игнорировать, если только вы не изучаете исключительно сложный университетский курс физики. Речь идет о магнитных взаимодействиях между протонами и электронами либо о поправках, которые делаются с учетом эйнштейновской теории относительности. С учетом всех этих мельчайших поправок[161] электрон оказывается после прыжка чуть ниже (соль-бемоль) или чуть выше (соль-диез), чем ожидалось.

Электрон «решает», какой прыжок сделать, на основании присущего ему спина. Поэтому электрон не может сразу перескочить с «диеза» на «бемоль». Он обязательно прыгает либо вверх, либо вниз. В атомных часах, напоминающих длинные и тонкие трубки пневмопочты, магнит вытесняет все атомы цезия, внешние электроны которого прыгнули на уровень, соответствующий, скажем, «соль-бемолю». В трубке остаются лишь такие атомы, электроны которых соответствуют «соль-диезу». Эти атомы собираются в специальную камеру, где возбуждаются под действием интенсивного микроволнового излучения. В результате электроны «подскакивают» (то есть поднимаются вверх и падают вниз), излучая при этом фотоны. Каждый прыжок очень упругий, и на него всегда уходит один и тот же (исключительно краткий) период времени. Поэтому атомные часы могут измерять время, просто подсчитывая фотоны. На самом деле, даже не важно, какие атомы вы будете вытеснять – соль-диезные или соль-бемольные, но вы обязательно должны их разделить, поскольку прыжки на разные уровни требуют разного количества времени. Для метрологов такая неточность неприемлема.