История часов. Часть третья. Атомные и биологические часы

Статьи

Наши инструменты

Атомные часы

Идея использовать колебания атомов для измерения времени была впервые высказана Лордом Кельвином в 1879 году. Практическое применение стало возможно лишь в 40-ых годах прошлого века, после работ Исидора Раби по магнитному резонансу. Первые молекулярные часы на основе аммиака были созданы в 1949 году в Национальном комитете стандартов в Вашингтоне. Колебания атомов в молекуле происходят с относительно меньшей частотой, поэтому их легче было связать с механической или электрической системой, показывающей время. Этим и объясняется то, что раньше всего появились молекулярные, а не атомные часы.

Первые молекулярные часы
Первые молекулярные часы

В первых молекулярных часах не удалось полностью устранить причины, вызывающие изменение собственной частоты колебания осциллятора. Особенно большое влияние на это оказывал эффект Допплера: из-за соударения молекул аммиака между собой и со стенками прибора вызывало расширение спектральной линии и вместе с тем изменение собственной частоты. Это приводит к тому же эффекту, что и наличие трения в механических резонаторах — снижается точность суточного хода.

Первые точные атомные часы, основанные на атомах цезия-133, были построены Луи Эссеном в 1955 году, в Национальной физической лаборатории, Великобритания. Калибровка часов была произведена с использованием шкалы эфемеридного времени — идеальной равномерной шкалы, основанной на обращении Земли вокруг Солнца. Это привело в 1967 году к новому международному определению стандартной секунды, как интервала времени, равного 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного (квантового) состояния атома цезия-133 в покое при 0 кельвинах, при отсутствии возмущения внешними полями. Первые коммерческие атомные часы, Атомихрон были созданы в 1956 году.

Луи Эссен (справа) и его первые точные атомные часы
Луи Эссен (справа) и его первые точные атомные часы

Собственно механизм атомных часов состоит из электронного осциллятора, который может контролироваться сигналом обратной связи. Атомная часть используется как раз для генерации этого сигнала, чтобы поддерживать постоянную частоту осциллятора. Центром атомных часов является микроволновый резонатор, содержащий рабочее вещество (водород, цезий, рубидий) в газообразном состоянии. Самой сложной частью атомных часов являются контролирующие и корректирующие механизмы.

В 2008 году физики Национального института стандартов и технологий (США) представили оптические атомные часы, основанные на излучении одиночных атомов ртути и алюминия. Эти часы являются наиболее точными на данный момент — их точность изменяется не более чем на одну секунду в миллиард лет.

Биологические часы

Во множестве живых организмов, и в человеке в том числе, существуют различные биологические механизмы для определения времени. Наиболее важным для жизнедеятельности является способность определять циркадные ритмы — двадцати четырех часовые циклы, влияющие на все физиологические процессы в организме. Кроме циркадных ритмов многие организмы могут различать инфрадианные ритмы (циклы длиннее суток, отвечающие, например, за миграцию или репродуктивный цикл) и ультрадианные ритмы (циклы короче 24 часов, например, фазы быстрого сна, назальный цикл). Многие морские животные также могут определять приливные ритмы — примерно 12 часовые промежутки от отлива до прилива.

Фоточувствительные белки и циркадные ритмы появились еще у одноклеточных организмов, с целью защиты ДНК от ультрафиолетового излучения солнца. Простейшие циркадные часы цианобактерий были воссозданы искусственно и поддерживали примерно 22 часовой ритм в течение нескольких дней. На основе циркадных ритмов растений создается такое украшение парков и скверов, как цветочные часы: клумба засаживается различными видами цветов, которые раскрываются и поникают постепенно в течение дня.

Цветочные часы. Женева
Цветочные часы. Женева

В настоящее время механизмы работы биологических часов еще не достаточно изучены, однако известны несколько групп генов, активизирующихся каждые 24, 12 и даже 8 часов. Каждая клетка обладает своими собственными часами, в тоже время клетки могут обмениваться информацией и выдавать синхронизированные временные сигналы организму. Биологические часы различных клеток реагируют на температуру тела, на уровень гормона мелатонина, на питания, и самое главное — на свет. Свет «сбрасывает» биологические часы человека и может нарушить циркадные ритмы. Наш организм настроен реагировать на достаточно яркий свет определенного цвета, примерно соответствующего ясному небу, но искусственное освещение также может влиять на циркадные ритмы, что послужило причиной провала многих экспериментов. Современные эксперименты над добровольцами, живущими продолжительное время в замкнутых пространствах, показывают, что циркадный ритм человека длится примерно 24 часа 10 минут, и примерно половина людей являются ярко выраженными «совами» или «жаворонками». Зафиксированы также необычные случаи нарушения циркадных ритмов, когда испытуемые перестраивались на 36 часовые или даже 48 часовые циклы. Регулируя уровни освещения возможно принудительно изменить циркадный ритм человека, что может быть полезно в будущем для космонавтов. У большинства людей, однако, десинхронизация циркадного ритма приводит к неприятным для здоровья последствиям: усталости, головным болям, бессоннице, проблемам с пищеварением, депрессии, потери ориентации. Многие из вас могли почувствовать на себе эффекты нарушения ритма после длительного авиаперелета.

А еще биологические часы — единственный механизм, за исключением атомных, который поможет вам выяснить, что время — величина относительная. Ведь, как известно, на раскаленной сковородке время идет намного медленнее, чем в обществе красивой девушки.

Читайте также

  • Периодическая система химических элементовПериодическая система химических элементов

    Периодический закон Менделеева: история, синтезирование новых элементов, альтернативные варианты периодические таблицы.

  • «Карты помощи»«Карты помощи»

    Сложная ситуация с состоянием воздуха во многих городах России продолжает ухудшаться. В связи с этим мы подготовили еще одну подборку полезных источников информации: карты распространения дыма, состояние воздуха в городах, а также карту помощи.

  • Как появилась реклама?Как появилась реклама?

    Интересные факты из истории рекламы: Что любили рекламировать Древние римляне? Чем миссионер похож на рекламщика? Когда появился первый баннер?

  • Случайная статья

    По этой ссылке каждый раз открывается одна из множества статей, которые есть у нас в  «Тексты».