Нобелевские часы для ловли щуки
Как минимум дважды мне приходилось жалеть о том, что открытие Дэвида Уайнленда запоздало.
Сентябрьским вечером мне позвонил отец жены (к слову, выпускник теоргруппы Физтеха). Его интересовал практический вопрос: как приспособить GPS к ловле щуки. Идея состояла в том, чтобы, выезжая на лодке на середину реки, записывать координаты особенно бурного клева и возвращаться туда раз за разом. Щука любит постоянство, и где-то там, под водой, у нее «насиженные» места. Метр влево, метр вправо — и рыба проигнорирует вашу наживку. Отец жены не знал, как бы оценить погрешность GPS-навигации. И я полез в сеть.
Тут и оказалось, что проблема упирается в точность атомных часов на орбите Земли. Свое положение на поверхности планеты мы узнаем только благодаря тому, что каждый из 30 спутников системы GPS оборудован сверхточной системой измерения времени. Айфон (или любой другой прибор с GPS-чипом) сверяет часы с тремя спутниками и по разнице показаний делает вывод о том, как долго добирался радиосигнал (который, вообще-то, распространяется со скоростью света) от каждого из них. Вычислить после этого свое положение на карте — дело техники.
Однако и сверхточные атомные часы на борту спутника не идеальны. Они могут спешить или отставать на 50 миллиардных долей секунды. Казалось бы, пустяк, но свет (или радиосигнал) проделывает за это время путь в целых 15 метров. Вот и погрешность, непростительная при рыбной ловле.
Еще хуже, если GPS нужен для измерения скорости где-нибудь в воздухе — например, пилоту параплана или дельтаплана. Когда его подбрасывает вверх воздушный поток, прибор должен мгновенно «почувствовать», что спуск закончился и начался подъем. Если бы GPS улавливал разницу координат в десятки сантиметров или хотя бы в метр, для этого сгодился бы обычный айфон. Решив записаться в парапланерную школу, я быстро понял, что придется вооружиться неуклюжим доисторическим вариометром без тач-скрина и прочих достоинств гаджетов Apple. Так атомные часы не оправдали надежд во второй раз.
Результат работы Дэвида Уайнленда, который мог бы исправить ситуацию (и, похоже, вот-вот исправит), — это атомные часы с лазерным охлаждением ионов. Но когда в 1986 году будущий нобелиат разработал свой метод лазерного охлаждения, первые спутники GPS уже трудились на орбите.
Принцип работы у атомных часов такой: внешнее поле заставляет атомы без устали перебрасывать электроны с одного уровня энергии на другой. Каждый такой бросок — одно «тиканье» атомных часов. Проблема в том, что атомы, помимо обязательных бросков, норовят сделать шаг влево или шаг вправо за счет нерастраченной энергии. А лазерный луч вынуждает отдать эту энергию в один присест, то есть «остыть» до начала работы. Поэтому часы с лазером работают не в пример точнее: за одну секунду они сбиваются не больше чем на одну стомиллионную миллиардной ее доли.
Точнейшая из действующих моделей прибора, NIST-F1, выступает в качестве эталона времени США. А NASA один за другим выводит на орбиту спутники группировки GPS-IIF, среди главных достоинств которых называют как раз улучшенные атомные часы. Пока на орбите их три (и последний вывели как раз на прошлой неделе). И когда спутников наберется хотя бы 24, проблема «точечной» рыбалки будет решена.
Сверхточные часы открывают невообразимые возможности не только для рыбаков. Например, теперь можно оценивать высоту над землей за счет эффекта замедления времени в гравитационном поле, предсказанного общей теорией относительности Эйнштейна. Об этом Уайнленд рассказывает в своей статье 2010 года, соавтором которой был давний нобелевский лауреат (и, кстати, нынешний министр энергетики США) Стивен Чу. Коробку с часами достаточно приподнять на полметра — и те отрапортуют, что время вокруг потекло чуть-чуть быстрее, потому что сила тяжести ослабла. Еще недавно считалось, что такие эффекты можно ощутить разве что в звездолете, который удаляется от черной дыры. А теперь это просто способ узнать о неровностях почвы под ногами.