Мы ежедневно имеем дело со временем. В повседневной жизни нам достаточно измерять время с точностью до минуты. В спортивных соревнованиях, таких как спринтерские забеги, часто требуется точность до 0,01 секунды, а в таких экстремальных видах спорта, как Формула-1, необходима точность до 0,001 секунды (1 миллисекунды). Однако в некоторых областях научных исследований требуется гораздо большая точность измерения времени, часто до одной тысячной секунды или даже одной миллионной секунды. Какие приборы для измерения времени могут удовлетворить эти требования?
В настоящее время самыми точными приборами для измерения времени являются атомные часы с цезием. Учёные разработали атомные часы с цезием, которые могут работать непрерывно в течение 6 миллионов лет с погрешностью менее 1 секунды. Почему цезий можно использовать для создания столь точных приборов для измерения времени? Мы знаем, что один полный оборот Земли вокруг своей оси занимает 24 часа, и каждый час делится на 3600 частей, что составляет 1 секунду. Таким образом, время, необходимое для одного полного оборота Земли вокруг своей оси, делённое на 86400, равно 1 секунде. Однако скорость вращения Земли не является стабильной, иногда она ускоряется, иногда замедляется, поэтому определённый секунда не соответствует высоким требованиям точности некоторых научных экспериментов. Цезий был выбран для создания атомных часов, потому что он является самым активным элементом в группе металлов. Это означает, что энергия перехода внешних электронов в атомах цезия низкая, и излучаемый ими электромагнитный сигнал находится в микроволновом диапазоне радиочастот, который совпадает с частотой вещания спутников. В настоящее время технология производства приборов для измерения этой частоты очень развита. Поэтому учёные используют электромагнитный сигнал, излучаемый электронами в атомах цезия при переходе между двумя энергетическими уровнями, в качестве стандарта для управления и калибровки электронных осцилляторов, а затем и для управления работой часов. Таким образом, используя эти свойства атомов цезия, учёные создали новый тип часов — атомные часы с цезием, и установили, что 1 секунда — это время, необходимое для перехода атома цезия из одного энергетического уровня в другой 919 263 770 раз. Это самое точное определение секунды на сегодняшний день.
Помимо атомных часов с цезием, были изобретены атомные часы с водородом и рубидием. Благодаря атомным часам стали возможны более точные научные исследования, такие как взрывы атомных и водородных бомб, запуск ракет и спутников, космические полёты и т. д., а также обеспечение высокоточного управления и работы.