Почему килограмм и куча всего ещё измеряется через время?
Почему килограмм и куча всего ещё измеряется через время? Так получилось, что именно время мы научились измерять невероятно точно. Примерно на 10 порядков точнее, чем другие основные физические величины. То есть почти всё, что мы сейчас измеряем — это время. Килограмм, метр, Ампер — это время. Ну, всё чуть сложнее, но грубо говоря — так. Чтобы собрать часы, вам нужна штука, которая что-то делает постоянно и одинаково. И счётчик. Например, если вы возьмёте маятник и будете считать, что он колеблется каждый раз. Маятник, естественно, ведёт себя плохо при разнице температур, из-за трения, качки кораблей (так пропадали целые эскадры) и так далее. Потом оказалось, что если подать ток на кристалл кварца, он начинает сжиматься и разжиматься с очень высокой частотой (обычно берут ровное число 32768 раз в секунду). В итоге кварцевые часы ошибаются примерно на 1 секунду в месяц. Этого достаточно для быта, но мало для науки. Каждый кристалл уникален и отличается своими микродефектами. Никакой предсказуемости на микроуровне нет. Но! В 50-х поняли, что есть абсолютно одинаковые штуки во вселенной. Это атомы одного изотопа. У них нет особых примет. Нет одного чуть хромого, а второго чуть более быстрого. И тут на сцену выходит резонанс. Если вы поднесете к гитарной струне источник звука, струна начнет резонировать только тогда, когда динамик издаст ноту, на которую струна настроена. Атом цезия-133 — это такая струна. У него есть очень удобные электроны, которые могут находиться в двух разных состояниях. Чтобы заставить электрон перепрыгнуть из одного состояния в другое, на него нужно посветить микроволновым излучением строго определенной частоты. Если взять кучу атомов и постоянно смотреть, сколько из них изменило своё состояние, можно определить, не поплыла ли частота. Значит, можно понять момент, когда часы начнут ошибаться. И откорректировать их точно обратно. Это можно делать магнитом и лазером. Мы, земляне, подбираем такой лазер, свет которого взаимодействует только с атомами в состоянии после перехода, но не взаимодействует с атомами в состоянии до перехода. Светим на них, смотрим, насколько сильно они излучают в ответ. Очень грубо упрощая, дальше нам надо два таких прибора — один на 9192631770 колебаний в секунду, второй на 9192631771. Сосчитать эти частоты напрямую мы не сможем, но попасть в них — вполне. Дальше надо будет просто наложить их друг на друга — и мы с помощью математики и какой-то матери получим частоту 1 Гц. Сосчитать что-то с частотой 1 Гц мы можем легко. Оказалось, секунда — это время, за которое электромагнитное излучение, заставляющее атом цезия менять состояние, совершит 9192631770 колебаний. Ни одна электроника не может считать с частотой сотни ТГц. Эту проблему решили в начале нулевых оптической частотной гребенкой (за это дали Нобелевку). Лазерная штука работает как коробка передач: делит частоту видимого света на более низкие радиочастоты. Радиочастоты уже можно посчитать обычными способами. Так мы можем измерять время с точностью до 18-го знака после запятой. Метр переопределили первым, в 1983 году. Он сначала был платиновой палкой, потом длиной волны криптона-86. Стал временем, за которое свету в вакууме надо пробежать длину той палки. Килограмм исторически измеряли кирпичом. Решили, что килограмм — это энергия. Взяли постоянную Планка (константу, связывающая энергию частицы с частотой её колебаний). Сейчас используют весы Киббла (Ватта) — они уравновешивают груз не с гирей, а с электромагнитной силой (тоже через частоту). Ампер (сила тока) и Кельвин (температура) поменяли тоже в 2018-2019. Измерять массу, температуру или ток напрямую очень сложно. Но мы научились делать приборы (интерферометры, квантовые датчики, весы Киббла), которые переводят задачу измерения массы или тока в задачу измерения частоты (количества событий в секунду). А её мы умеем измерять люто хорошо. Так что переводим любую физическую величину в частоту и измеряем!
— Вступайте в ряды Фурье! | Лучшие посты Физика — это практически единственная область, где ещё строго соблюдаются законы