Время, хранимое как драгоценность
Вячеслав ДЕМИДОВ
Глава четвертая. В поисках абсолюта

Столетья разрешаются от бремени,
Плоды приносят год, и день, и час.
Пока в руках у нас частица времени,
Пускай оно работает на нас!

С. Маршак

Семнадцатый век был веком мореплавателей. Мыс Горн, материк Австралия, остров Новая Зеландия, Баффинов залив – на карте мира появлялись все новые и новые названия. Один за другим уходили из гаваней многопарусные военные фрегаты, вместительные «купцы». Многие, чтобы уже никогда не вернуться к родным берегам... Жестокий шторм, предательская тишина затяжного штиля, подводный риф, неведомо откуда взявшийся пиратский корабль – тысячи опасностей, и весьма приблизительные карты, и неточные мореходные инструменты.

Далеко ли до берега? Хватит ли воды и сухарей? Не урезать ли и без того ничтожные порции? В маленькой Голландии было 15 тысяч торговых судов, и каждый год две, а то и три сотни объявлялись погибшими, пропавшими без вести.
Премии, которые так никто и не получил

Правительства морских держав, обеспокоенные таким положением дел, назначили колоссальные награды за изобретение способа узнавать долготу в открытом море. Король Филипп II Испанский в 1598 г. обещал десять тысяч дукатов (примерно 36 килограммов золота), Генеральные штаты Нидерландов предложили в 1606 г. втрое больше. Но годы шли, а претенденты так и не объявлялись.

Почему речь шла только о долготе? Потому что широту умели отлично определять еще финикийцы и викинги.

Чем ближе к экватору подходит корабль, тем ниже к горизонту спускается Полярная звезда, тем выше поднимается в полдень солнце. Для измерения высот светил мореплаватели с XV в. пользовались градштоком и астролябией.

А долготу вычисляли по скорости хода – в общем, на глаз. Из-за того, что размеры Земли не были точно известны, получались огромные ошибки. Правда, во время своего первого путешествия в Индию Колумб сделал важное наблюдение, которое, казалось, решит задачу определения упрямой долготы. 13 сентября 1492 г. он заметил, что стрелка компаса, до того отклонявшаяся к западу от Полярной звезды, уставилась строго на нее. На следующий день стрелка указывала уже направление к востоку от Полярной. Колумб «пришел к заключению, что эта линия, не дающая магнитного отклонения, была линией меридиана и что отклонения от нее к востоку или к западу должны представлять правильность, которая может дать средство для определения долготы гораздо вернее, чем с помощью таблиц и водяных часов. Известно, что четыре года спустя он пробовал направлять ход корабля на основании наблюдений этого рода», – читаем мы в книге Дж. Уилера «Христофор Колумб и открытие Америки». Увы, кроме изобретателя, никто не умел водить суда таким способом, да потом еще выяснилось, что склонение магнитной стрелки – вещь страшно непостоянная, от года к году изменяющаяся, так что любые карты станут непригодными раньше, чем смогут быть напечатаны.

Почти двести лет спустя задачу решил Галилей. Он даже вел по этому вопросу переписку с правительством Нидерландов. Изобретатель телескопа предлагал воспользоваться для вычисления долготы спутниками Юпитера, так хорошо видными в зрительную трубу. Они играли бы роль стрелок часов, настроенных по времени порта, откуда вышел корабль. Для этого требовалось только составить необходимые таблицы. Еще удобнее было бы принять какой-то меридиан за начальный и вычислить таблицы, опираясь на него. Тогда, зная местное время и время начального меридиана, легко узнавалась бы долгота; известно ведь, что Земля ежечасно поворачивается на 15 градусов.

Но попробуйте-ка поймать в трубу планету, стоя на качающейся палубе! Способ признали неудобным, переговоры кончились ничем, хотя на сухопутье им пользовались еще долго и первый раз определили скорость света (правда, с огромной ошибкой) именно по спутникам самой большой планеты Солнечной системы.

Более приемлемой была бы Луна, но ее движение среди звезд не удавалось подвести под хорошую теорию и составить нужные таблицы. Да и инструменты были недостаточно верны, чтобы воспользоваться ими. Луна стала объектом пристального внимания моряков только после 1731 г., когда англичанин Гадлей изобрел секстант, позволивший измерять угловую высоту светил раз в пятнадцать точнее, чем раньше. Петербургский академик Леонард Эйлер вывел, наконец, формулы движения Луны, немецкий астроном И.Т. Майер составил по ним таблицы, – более ста лет пользовались их трудами моряки.

Но мы забегаем вперед. В XVII в. обращаться к светилам оказалось невозможным. Их язык не удавалось расшифровать. И тогда возникает новая идея, на этот раз связанная уже не с небом, а с Землей.

Ведь Земля – это тоже «часы». Каждую минуту она поворачивается на 15 угловых минут. Значит, если на борту судна есть часы, поставленные по времени нулевого меридиана (скажем, меридиана порта, откуда вышел корабль), штурман легко определит свою долготу, вычтя из местного времени время, показанное бортовыми часами. Ну, а узнавать местное время по солнцу и звездам моряков не надо учить...

С мыслью о морском применении проектировал свои часы Галилей. Эти же соображения высказывал и Гюйгенс в одном из писем 1657 г.: «На днях я нашел новую конструкцию часов, при помощи которой время измеряется так точно, что появляется немалая надежда на возможность определения при их помощи долготы, даже если придется везти их по морю».

Гюйгенс знал, что в море на маятник будет действовать не только сила тяжести, но и ускорение, возникающее от качки корабля. Поэтому он укрепил свои часы в кардановом подвесе наподобие компаса. Он надеялся, что таким образом удастся защитить маятник от влияния качки. Опытное плавание не подтвердило предположений ученого. И попытки последующих изобретателей кончились ничем.

Гюйгенс, однако, не терял присутствия духа. Во всем виновата сила тяжести? Значит, ее нужно убрать! Но как? Ответить на вопрос он смог только спустя почти двадцать лет.
На сцену выступает баланс

Гюйгенс установил в часах вместо маятника круглое колесико – баланс, а силу тяжести заменил силой спиральной пружины, которая то закручивалась, то раскручивалась по мере того, как баланс колебался взад-вперед. По сути, это было возвращением к билянцу, но на более высоком уровне знаний. Билянец, как вы помните, был плох потому, что время его колебаний резко зависело от силы толчков. Свойства колеса со спиральной пружиной – волоском – были точной копией свойств маятника: период колебаний очень мало зависел от размаха, а следовательно, и от качества работы колесной системы часов. Откройте любые наручные, карманные часы или будильник, и вы сразу увидите это хлопотливо снующее колесико. Тряска и качка – мы отлично знаем это по собственному опыту – на такие часы практически не влияют.

Победа? Нет, до нее было еще далеко. Новорожденный баланс – в 1674 г. парижский часовщик Тюре сделал по указаниям Гюйгенса первые балансовые часы – оказался тепличным созданием. Достаточно было температуре воздуха измениться на один градус, как стальной волосок удлинялся, и часы начинали уходить в двадцать раз резвее маятниковых. Просто руки опускались.

К тому же – новые обвинения в плагиате. Привилегию в Париже Гюйгенсу не выдали, потому что заявил претензию некий аббат Отфей. Попытка получить патент в Англии вызвала резкий протест Роберта. Гука: оказывается, он десять лет назад говорил на лекции, что спиральная пружина может сыграть в часах роль силы тяжести, действующей на маятник. Претензии Гука были тем основательнее, что именно он прославился своими исследованиями свойств упругих тел, в частности спиральных пружин. И хотя его называли «научным разбойником» за постоянное сутяжничество с другими учеными (в том числе и Ньютоном), якобы кравшими у него идеи, – в случае с балансом первенство Гука несомненно. Идею он высказал, как утверждал его современник член Королевского общества (английской Академии наук) Вильям Дергам в 1656 или 1658 г., а в 1678 г. мастер Томпион изготовил такие часы для короля Карла II Английского.

Несомненно, Гюйгенсу очень помогли известия, что часы с балансом вместо маятника создать принципиально можно. В 1660 г. об изобретении «пружины вместо маятника» рассказывал ему кто-то из друзей, в 1665 г. ему писал об идеях Гука один из английских ученых. Но все это были не более чем намеки. Никаких чертежей, как и чертежей часов Галилея, Гюйгенс ни от кого не получал. «Если Гюйгенс не может считаться первым изобретателем регулирующего устройства баланс-спираль, то во всяком случае его заслуга в том, – подводит итог советский историк часового искусства В.Н. Пипуныров, – что он создал с таким регулятором модель часов, которая стала исходной для дальнейшего развития и усовершенствования их».

История рассудила спор. Но триста лет назад мнения резко разделились. Англичане поддерживали Гука, ученые же «с континента» – Гюйгенса. Гюйгенс устал от бесконечных обвинений, от обязанности доказывать свою честность. Никого не интересует, что его труды о выборе смазочного масла для часов, о влиянии на их ход температуры и влажности воздуха, не говоря уже о теории маятника, знакомы каждому серьезному часовщику, – надо защищаться, словно преступнику...

И Гюйгенс бросил заниматься часами: в конце концов есть столько интереснейших физических и математических проблем. «...Я предоставил свободу всем часовщикам работать над этим изобретением, так как видел, что привилегия стоила бы мне просьб о регистрации в Парламенте и что даже потом у меня будут судебные процессы и новые неприятности», – писал он одному другу. И конечно же он не мог знать, что за два года до его смерти в английском городе Барроу в графстве Йоркшир у плотника Гаррисона родился сын Джон, которому судьба предназначила вывести баланс «в люди».
Мастер Гаррисон начинает эпоху хранения времени

Впрочем, его юность никак не пророчила будущей знаменитости. Он плотничал вместе с отцом, и единственное, чем Джон отличался от других плотников, была его любовь к механике, вернее – к часам. Он выучился их чинить, и когда под рукой не бывало подходящего колесика, смело вырезал его из дерева.

В 1714 г. английский парламент выслушал доклад Ньютона о проблеме морских часов. Ученый закончил свою речь словами: «Часы, на ход которых не должны влиять ни качка корабля, ни изменения температуры и влажности, ни различия в силе гравитации на разных широтах, – такие часы еще не созданы». Более чем столетней давности премии Испании и Нидерландов по-прежнему дожидаются счастливцев, но о них мало кто уже помнит, и потому парламент решает объявить: мастеру, сделавшему часы, пригодные для определения долготы в море, выплатят 20 тыс. фунтов стерлингов (почти 150 килограммов золота), если часы, «будучи испытаны в пути до Вест-Индии, дадут ошибку не более 30 миль» (т.е. 30 секунд по времени. – В.Д.). Если ошибка составит 40 миль – 15 тыс., если 60 миль – 10 тыс.

Джону Гаррисону шел тогда двадцать первый год. Пока ему не было известно об этой огромной премии, он не очень задумывался над своим отношением к часам. Щедрая королевская награда всколыхнула его. В «старой доброй Англии» было немало искусных механиков, но не каждому была дана целеустремленность юного Гаррисона. Он упорно учится, постигает свойства металлов, законы механики и физики. В 1725 г. первая победа: придуман маятник, длина которого остается постоянной, независимо от того, тепло в комнате или холодно, – решена задача температурной компенсации, над которой часовщики бились вот уже несколько десятилетий.

Джон отправился в Лондон. Там он явился к директору Гринвичской обсерватории Эдмунду Галлею и сказал, что если Комиссия по определению долготы выдаст ему небольшую сумму, он, Гаррисон, сделает точные часы для моряков. Галлей отнесся к предложению без энтузиазма: мало ли людей, считавших, что они достойны получить 20 тыс., приходило к нему? Он посоветовал молодому человеку встретиться с Джорджем Грэхемом, лучшим лондонским часовщиком, и изложить ему свою идею. Знаменитый Грэхем оказался более проницателен, нежели его ученый друг. В Гаррисоне он сумел разглядеть талант незаурядного механика и ссудил его деньгами. Грэхем порекомендовал не тратить времени на визиты в Комиссию: она поверит, только увидев «живые» часы. Гаррисон вернулся в Йоркшир и шесть лет трудился над своим первым хронометром.

В 1735 г. лорды Адмиралтейства недоверчиво осматривали тридцатипятикилограммовую конструкцию: если верить словам изобретателя, его часы ходят одинаково верно и летом, и зимой. Вот этот стерженек, склепанный из латунной и стальной полосок, нейтрализует влияние температуры: он изгибается от тепла и холода, соответственно укорачивая или удлиняя рабочую часть волоска. Что ж, на берегу все может быть хорошо, как-то поведут себя часы в море?

Начинаются испытания. Правда, они не очень удачны, но Гаррисон видит: он на верном пути. Проходит год, и мастер представляет Комиссии новый вариант механизма, еще через восемь лет – третий. Капитан корабля «Центурион», на котором проходили испытания первого хронометра Гаррисона, Джордж Проктор, так характеризовал изобретателя: «Это очень трезвый, очень трудолюбивый и в высшей степени скромный человек, и я желаю ему всяческого успеха. Однако качка корабля слишком сильно противостоит ходу часов, и я прихожу к печальной мысли, что этот благородный человек пытается совершить невозможное». Да, многим казалось, что дело безнадежно, – многим, только не Гаррисону.

Четвертый вариант хронометра, законченный в 1761 г., должен был окончательно решить, добился чего-нибудь изобретатель или нет. По-видимому, все-таки добился: достаточно взглянуть на механизм – куда исчезли торчавшие во все стороны колеса и рычажки, придававшие конструкции вид диковинной ветряной мельницы. Сама законченность внешнего облика и небольшие размеры часов свидетельствовали в пользу мастера.

Туманным утром 18 ноября из Портсмутской гавани ушел к берегам Ямайки бриг «Дептфорд». Он выполнял, как теперь говорят, «особое задание»: осенняя Атлантика, богатая бурями, проверяла точность работы хронометра Гаррисона. Сопровождал драгоценный прибор сын старого Джона, Вильям. Мастеру шел уже шестьдесят восьмой год, и он не рисковал выходить в море.

Рассказывают, что в пути произошла стычка со штурманом. Моряк считал, что долгота судна – 13 градусов 50 минут, а хронометр утверждал, что 15 градусов 19 минут. Полтора градуса разницы, девяносто миль, – да что мы, морские волки, совсем уже плавать разучились? Но когда на горизонте точно в назначенный молодым Гаррисоном срок открылся остров Мадейра, моряки поверили в хронометр. Еще большее впечатление произвела проверка часов в главном городе Ямайки – Порт-Ройале. Астрономы вычислили время по положению Меркурия. За восемьдесят один день плавания хронометр отстал всего на одну с четвертью секунды.

И все последующие испытания подтверждали: да Гаррисон сделал часы, о которых мечтали моряки. Знаменитый капитан Кук, открыватель множества новых земель, взял с собой хронометр на три года в плавание. За это время часы отстали всего на 7 минут 45 секунд: они действительно были хранителем времени.

Ну, а как же премия? Когда «Дептфорд» вернулся в Англию, Гаррисон отправился в Адмиралтейство вручили пять тысяч, а остальные обещали выдать после того, как он обучит своему искусству нескольких учеников, назначенных Комиссией по определению долготы. Гаррисону было нечего скрывать: спустя три года ученики делали хронометры самостоятельно. Но крючкотворы изыскивали все новые и новые предлоги. Лишь незадолго перед смертью мастеру удалось, наконец, добиться выплаты всех денег.

Конструкция хронометра с тех пор непрерывно улучшалась. Выяснилось, например, что предложенный Гаррисоном способ температурной компенсации не очень хорош. Найдены были другие, более изящные и эффективные. А потом, уже в конце XIX – начале XX в., на портрет хронометра были положены последние штрихи: французский металловед Эдуард Гильом изобрел инвар и элинвар – сплавы, ничтожно мало реагирующие на изменение температуры.
Часовой завод в театре

Январь военного 1942 г. был суровым и снежным. Прикрывая лица от злого ветра, спешили по заметенным улицам старинного уральского города Златоуста люди на металлургический, в цеха инструментального и – к зданию драматического театра, где разместился тогда эвакуированный из Москвы Первый часовой завод. На сцене стояли станки автоматного цеха, на ярусах сидели за своими верстаками слесари-лекальщики, в партере протянулась лента сборочного конвейера. А левую сторону бельэтажа занимал экспериментальный цех. Опытнейшие часовщики, художники своего дела – А.А. Дейкин, Е.В. Куликов, В.В. Васильев – заканчивали отладку первого советского хронометра.

До войны швейцарские хронометры фирмы «Нарден» считались шедеврами. Они были принадлежностью каждого уважающего себя корабля любого флота мира. Вынуждены были покупать их и мы. Наладить собственное производство все не удавалось: слишком сложной штукой была ловля тех тысячных долей секунды, из которых складывается точность хода этих прецизионных часов. Война оборвала связи со швейцарскими фирмами, и проблема советского хронометра стала сразу внеочередной и не терпящей отлагательства.

В мирные дни на эту работу отводилось несколько лет, но война учила считать по-новому. «Хронометр должен быть создан за несколько месяцев!» – такую задачу поставили перед собой часовщики. Но А.А. Дейкин заставлял себя не торопиться. Он доводил ходовую пружину – ажурную детальку, выфрезерованную из одного куска металла. От ее качества зависит точность хронометра. Неосторожное движение – и брак. «Талия» пружины толщиной в пять сотых миллиметра должна «пополнеть» к своему концу на две сотых, а выдержать размеры нужно с допуском в пять тысячных. В такой работе, как нигде, верна поговорка «поспешай медленно»...

Изготовили пружину – начались новые заботы. Пришла пора «ладить ход» – добиваться точного взаимодействия всех деталей сложного механизма. Искали подходящую смазку, проверяли способы температурной компенсации, учились сами и учили других. Летом сорок второго года хронометр пошел в серию.
Хронометр приобщается к электричеству

Хранитель точного времени... А в чем выражается эта точность? Оказывается, смысл этого понятия не для всех один и тот же.

Нам с вами важно, чтобы часы, на которые мы посматриваем, опаздывая на работу или торопясь на поезд, ходили «в ногу» с часами города, в котором мы живем. И если на наших часах стрелки показывают 11 часов 28 минут, мы должны быть уверены, что и на городских такое же время, – и даже лучше, если на городских чуть поменьше.

А часовщиков-хронометристов мало волнует, что именно показывают стрелки. Их интересует, будет ли хронометр завтра спешить или отставать на столько же, на сколько сегодня.

Если точно известно, что за сутки часы убегают на три секунды, то даже через сто суток учесть такой «ход» не составит труда. Однако если в жаркий день отставание пять секунд, а после дождя – секунда, с такими норовистыми часами дела иметь нельзя. Хронометр хорош не тем, что его стрелки показывают верное время, а тем, что это время всегда можно вычислить, зная суточный ход.

У хронометров первого класса ход изменяется от суток к суткам максимум на 0,2 секунды. Добиться такой «вариации хода» очень нелегко. Швейцарцы, например, трудились над уменьшением ее с 0,5 до 0,2 секунды целых двадцать пять лет.

Стабильность хода хронометра подошла к пределу уже давно. Конструкция-то почтенная, наследница двух веков. Главная неприятность – опять та же самая, вскрытая Гюйгенсом: неравномерная амплитуда колебаний баланса. Несмотря на все усилия, добиться стабильности величины «импульса», подталкивающего баланс, не удавалось.

А нельзя ли подойти к проблеме по-иному? Выбросить пружины и зубчатые передачи, толкающие баланс неравномерно? До появления полупроводниковых триодов говорить об этом было смешно – транзисторы сделали такой хронометр реальностью. В нашей стране его создали в начале 60-х годов инженер В.А. Шполянский, ныне доктор технических наук, и кандидат технических наук Б.М. Чернягин. На ободе баланса укрепили миниатюрный магнит, на основании механизма – две маленькие катушки с проводом. Магнит проходит мимо катушки, в ней наводится электрический ток. От этого срабатывает транзисторный усилитель – генератор. В другую катушку попадает усиленный в сотни раз импульс тока и подталкивает возникшим магнитным полем баланс. На амплитуду колебаний теперь уже почти ничего, кроме трения, не влияет. Без всякой отладки транзисторный хронометр показал вариацию хода меньше, чем у механизмов первого класса.

Со всего института сходились любопытные посмотреть на удивительный хронометр. Самым впечатляющим была его бесшумность, часы шли без характерного тиканья. Незначительное это обстоятельство привело к забавной истории.

«Никак не могли проверить точность, – вспоминает В.А. Шполянский. – Обычно это делают по сигналам времени, которые регулярно передают радиостанции всего мира. Сравнивают на слух сигналы в наушнике и тикание хронометра, потом определяют поправку. А тут тиканья не было. Пришлось поставить особое реле, «озвучившее» молчаливый механизм».

Институту в 1963 г. присудили за этот хронометр Золотую медаль ВДНХ и диплом первой степени. К сожалению, путь новинки в практику, как слишком часто это бывает, оказался усыпанным терниями. Старые часы охотно берут, – к чему беспокойство? Как не брать, если других нет... А в самые последние годы стали говорить, что, пожалуй, вообще нет смысла готовиться к производству электрических балансовых хронометров, – во всем мире, мол, перешли на кварцевые. Будем надеяться, что им повезет больше, и на наших торговых судах вместо устаревших хронометров типа «Нарден» появятся новые, более современные.
Укрощение маятника

Когда Гаррисон придумал, как защитить от влияний температур маятник, это был только первый шаг на пути к точности астрономических часов. Серьезным противником оказалось давление воздуха. Всего на какой-то миллиметр ртутного столба изменяется оно – и часы врут на 0,015 секунды в сутки. Влияло на вариацию хода и испарение смазки.

В конце XIX в. немецкий часовщик Рифлер спрятал астрономические часы в герметический сосуд, и смазка перестала испаряться. Затем он снизил давление в сосуде примерно до 600 миллиметров ртутного столба (дальше откачивать воздух было бессмысленно: пары масла мешали сделать вакуум глубже). Все это уменьшило вариацию до 0,01...0,02 секунды – громадный скачок в верности хода.

Вслед за Рифлером взялся улучшать конструкцию высокоточных часов английский мастер Шорт. Он пошел на хитрость: оторвал маятник от механизма и заменил механическую связь между ними электрической. Но поскольку сам по себе колесный механизм без маятника показывать время не в состоянии, колебательных систем в часах Шорта оказалось две – свободно качающийся главный маятник, хранитель времени, и маятник, на долю которого оставлена была вся грубая работа: он замыкал контакты электромагнитов, приводящих в движение оба маятника, двигал стрелки по циферблату и так далее.

Теперь уже ничто не мешало главному маятнику спрятаться в вакуум, но слишком глубоко откачивать воздух не стали, ограничились 20 миллиметрами ртутного столба. Выяснилось, что, регулируя это давление, можно тонко изменять вариацию хода часов. Электромагнитный привод помог сделать очень стабильной амплитуду колебаний.

Словом, вариация суточного хода уменьшилась еще в десять раз: до 1...2 тысячных секунды. Но это был уже предел. Маятник качается ведь по дуге окружности, а не по циклоиде. Любое самое ничтожное сотрясение изменяет его энергию, а значит, и амплитуду колебаний и соответственно период. Астрономы как могли старались защитить свои часы. Их прятали в глубокие подвалы, устраивали мощные бетонные постаменты, располагали обсерватории подальше от дорог. Единственное, от чего не могли избавиться, так это от помех, которые создает сама Земля. Планета наша непрестанно дрожит, как в лихорадке: ее сотрясают и большие землетрясения, и уловимые только приборами микросейсмы. Улавливают их и часы. С этим уже ничего не поделать. По крайней мере ничего не смог поделать Шорт.

Впрочем, в начале нашего века точность в тысячную секунды вполне удовлетворяла всех. Астрономические обсерватории наперебой заказывали «Шорта», хотя стоили часы десятки тысяч фунтов стерлингов. Купил их для Пулковской обсерватории и Советский Союз. Когда же в 30-х годах в стране стали создавать все новые и новые астрономические обсерватории, Главной палате мер и весов в Ленинграде поручили сделать часы, подобные шортовским. И при этом – не разбирая, даже не останавливая механизм, чтобы посмотреть, как он устроен. Каждый экземпляр часов был на особом счету, к ним запрещалось прикасаться всем, кроме агентов «Шорта» (в случае нарушения условий фирма снимала с себя всякую ответственность).

К счастью, в те годы в Палате работал замечательный механик Иван Иванович Кванберг, один из последних представителей «старой гвардии», трудившийся там еще при Менделееве. Он отправился в Пулково, долго изучал механизм через стекло колпака, – и представьте, сумел сделать точную копию. Правда, добиться вариации хода в тысячную секунды он не смог. Были, видимо; какие-то в механизме хитрости, которые через стекло не рассмотришь. Кванберг стал экспериментировать, изучать влияние различных деталей на точность хода, но закончить опыты не успел... После смерти мастера работу над часами продолжил его сын Константин Иванович вместе с механиками Анисимовьш и Эйлером. По их чертежам на заводе «Эталон» были сделаны первые восемь советских часов типа «Шорт». Их регулировка оказалась делом сложным, потребовавшим многих лет. Лабораторные исследования прервала война. Главную палату мер и весов эвакуировали в Томск, все работы ее, не связанные с нуждами фронта и оборонной промышленности, были прекращены. Но сразу же после войны новое наступление на непокорные часы предприняли одновременно в двух местах: в московском Центральном бюро времени и в Харьковском институте мер и измерительных приборов. Завод «Эталон» в конце концов наладил производство астрономических часов, ни в чем не уступавших «Шорту».

Самое же главное, что работы в Харькове привели к тому, что в ряду замечательных часовщиков наравне с именами Гюйгенса, Гаррисона, Леруа, Рифлера, Шорта и многих других совершенствователей сверхточных механических часов утвердилось имя Феодосия Михайловича Федченко, который как бы подвел итог всем достижениям и создал маятниковые часы, точнее которых уже просто не может быть.
Как выглядит механический абсолют?

«...Часы АЧФ являются лучшими из всех существующих типов маятниковых часов. Они по крайней мере на порядок превосходят по точности лучшие в прошлом маятниковые часы Шорта. Они во многих случаях могут заменить кварцевые часы средней точности, значительно превосходят их по надежности работы и простоте эксплуатации. Многолетняя их работа в Пулкове с 1960 года прошла практически без единого нарушения по вине часов, в то время как с часами Шорта имелось их довольно много, а кварцевые часы, пожалуй, даже трудно в этом отношении сравнивать с АЧФ.

Директор Главной астрономической обсерватории, профессор В.А. Крат».

Этот отзыв я читал в лаборатории ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФ-ТРИ), где на стенах бесшумно качаются маятники АЧФ – астрономических часов Федченко – и где попрежнему работает изобретатель, подыскивая для своего маятника новые применения.

С чего все началось? Когда? Может быть, тогда, когда Ф.М. Федченко, будущий преподаватель физики, был студентом педагогического института в Кривом Роге, в далеком 1934 г.? Там учили не только теории, но И практике: каждый будущий учитель обязан был уметь делать приборы для демонстрации опытов. Ведь физических кабинетов, к каким мы привыкли в школе сейчас, не было даже во многих городах, не говоря уже о сельской местности, где предстояло работать молодым преподавателям. И Федченко, став учителем, конструировал со своими учениками из подручных материалов многое, в том числе маятники Фуко, Максвелла и другие приборы.

Или «первотолчок» был дан во время войны, когда Федченко служил в танковой части механиком по точным приборам, в том числе и танковым часам? Приходилось работать на разных станках, вытачивать и фрезеровать сложные детали. Бывший учитель оказался незаурядным механиком, которому подчинялись самые капризные приборы. Он отпраздновал в своей части разгром фашистской Германии, потом разгром милитаристской Японии, в Мукдене демобилизовался и вернулся в родные места, в Харьков.

Там он впервые узнал, кто такой Шорт.

Научно-исследовательской темой лаборатории времени, куда его направили, среди прочих была и такая – «Изыскание возможности увеличения точности хода часов со свободным маятником типа Шорта».

– Первое, с чего пришлось начать, – рассказывает Ф.М. Федченко, – это были книги. Читал все подряд, начиная с Гюйгенса. И среди разных трудов попалась одна статья, которая меня просто поразила. Написал ее немецкий астроном Хойн, и рассказывал в ней он, как исследовал подвесы маятников. Подвес, надо вам сказать, это одна из сложнейших деталей, хотя внешне она очень проста. Стальная полоска или две полоски, зажатые по концам металлическими щечками. Один конец подвеса прикрепляется тем или иным образом к корпусу часов, к другому концу подвешивается маятник. Вот и все. Маятник качается, пружина (или пружины) изгибается, – потери на трение минимальны, а это для астрономических часов только и требуется.

Так вот, была с пружинным подвесом связана одна легенда: считалось, что он способствует изохронности маятника, то есть делает период его колебаний менее зависимым от амплитуды. Мол, сопротивление пружины как бы отталкивает маятник назад, к положению равновесия, и чем больше отклонение, тем значительнее усилие. Это якобы должно улучшать изохронность. Так думали, и Хойн так думал. Однако если пружины подвеса действительно помогают изохронности, то более толстые должны оказывать и большее действие. Между тем все у него получилось наоборот: подвес с двумя тонкими пружинами у Хойна не только обеспечил полную изохронность, но даже перегнул палку, так сказать, в другую сторону: при увеличении амплитуды период уменьшался! Выходит, можно подбором пружин добиться полной изохронности маятника? Я не поверил Хойну и стал повторять его эксперименты.

Федченко проделал – без преувеличения – тысячи опытов. С сорок седьмого по пятьдесят второй год он перепробовал буквально все мыслимые типы пружин: и короткие, и длинные, и толстые, и тонкие, и с переменным сечением по длине, и строго плоские, – все впустую, все оборачивалось зря потраченным временем. Хотя нет, не зря. Без этого сонма опытов не было бы уверенности, не отточилось бы мастерство, не изощрилась бы способность быстро оценивать возможный результат очередного нововведения.

И он наступил, – день, когда труд оказался вознагражденным.

Один из подвесов вдруг действительно оказался необычным; маятник с ним получился, как у Хойна, перекомпенсированным! Что случилось? Федченко вынул подвес и машинально отверткой попробовал винты, которыми стягивались щечки: винты подались. И тут же маятник превратился в обычный неизохронный, подчиняющийся всем законам. Что ж, Хойн действительно заблуждался. Дело, выходит, только в щечках, крепко ли они стянуты. А что значит – «стянуты»? Это значит, что пружина изгибается не у корня своего, а немного выше или ниже.

Сразу же у Федченко родилась идея: сделать подвес не из одной пружины, не из двух, а из трех – двух коротких и между ними поставить длинную. Тогда в положении, близком к равновесию, длину маятника определят не длинная и не короткие пружины, а нечто среднее между ними; зато на краях качания – короткие, средняя же как бы выключится. Исчезнет элемент случайности, свойственный плохо затянутым винтам. Подвес можно будет настроить так, чтобы качание маятника происходило по циклоиде, как того требует Гюйгенс. Первая же проверка показала, что идея верна. Маятник действительно получился изохронным: при изменении амплитуды с 30 до 150 угловых минут его период оставался неизменным. Часы, в которых был он поставлен, обеспечили вариацию хода в 1...2 десятитысячные секунды, а обычные астрономические в тех же условиях показывали результаты в 50...100 раз худшие.

Исчезли прочные, неколебимые стены, мощные фундаменты: часы Федченко к сотрясениям мало чувствительны. Вопреки всем канонам они висят в лаборатории на втором этаже – и дают ту же точность, что и часы Шорта, спрятанные в подвале.

Все крупные обсерватории СССР снабжены сейчас часами АЧФ, но не только они. Когда вы смотрите телевизор и на экране появляется циферблат часов с прыгающей секундной стрелкой, знайте: этот механизм работает от часов Федченко, висящих в одной из комнат Общесоюзного телецентра. Это действительно точное время...

О часах АЧФ можно рассказывать и рассказывать. О том, как Ф.М. Федченко разрабатывал систему электромагнитного привода своего маятника, – сначала на обычных реле, потом на транзисторах, которые только-только появились. О том, как исследовал влияние формы груза на точность хода часов (размеры груза ведь изменяются при изменении температуры!), как нашел, что Шорт чисто интуитивно выбрал более удачные соотношения высоты и диаметра груза, чем Рифлер, и тем самым улучшил температурную компенсацию своего маятника, – и как потом Федченко рассчитал оптимальную форму: обыкновенный шар. Но, пожалуй, интереснее всего рассказать, как часы АЧФ уловили притяжение Солнца и Луны.

Наш вес зависит от того, с какой силой притягивает нас Земля. Притяжение Луны и Солнца изменяет земную силу тяжести: дважды в сутки она достигает максимума и столько же раз – минимума. Разница ничтожна, гиря в 1 килограмм меняется в весе на 0,4 миллиграмма. Часы Федченко улавливают в 40 раз меньшие изменения. Но, конечно, не потому, что способны что-то взвешивать, а потому, что из-за разной силы тяжести начинают спешить или отставать.

Нужно только сравнить ход АЧФ с ходом кварцевых или атомных часов.

Такие тонкие эффекты раньше улавливали гравиметрами, основа которых – груз, подвешенный на пружине. Она растягивается или сокращается в такт с изменениями силы тяжести – т.е. веса гири. При той чувствительности, которой достигли эти приборы, они ощущают уже не только вариации силы тяжести, но и «старение» металла пружин. Всем гравиметрам свойствен крайне серьезный недостаток: «сползание нуля». Отсчеты, сделанные сегодня и через десяток дней, могут отличаться друг от друга, хотя притяжение Земли осталось неизменным. «Могут» – в этом слове кроется неопределенность. Ученый не знает причины, вызвавшей изменение показаний, и вынужден то и дело заниматься кропотливой проверкой – калибровкой. Вести наблюдения непрерывно в течение многих недель и месяцев практически невозможно, хотя именно такие измерения наиболее ценны. А часам Федченко все эти неприятности не, грозят. С 1968 г. с их помощью исследуют вариации силы тяжести в Астрофизической обсерватории Института физики Земли АН СССР, и очень довольны результатами.

Маятниковые часы сегодня сменили профессию. Это уже не столько устройство для измерения времени (его гораздо лучше хранят атомные, квантовые генераторы), сколько точнейший гравиметрический прибор. А измерение силы тяжести – это более точная фигура Земли, более верные карты, новые месторождения полезных ископаемых, разгадка внутреннего строения нашей планеты...

Английский журнал «Хоролоджикл джорнэл» издается уже сто двадцать лет. На его страницах появлялись описания самых знаменитых часов XIX и XX вв., и конечно, часов Рифлера и Шорта. В сентябрьском номере за 1973 г. – статья «Часы Федченко». Ее автор французский физик М. Плежэр пишет: «Появление часов Федченко является очень важным событием, свидетельствующим о том, что искусство создания астрономических часов еще не окончательно изжило себя, что и здесь еще возможны новые изобретения и находки.

Поэтому инженер Федченко и его коллеги в России заслуживают благодарности от всех часовщиков мира».

Академик С.А. Христианович, крупный специалист в области механики, по поводу часов АЧФ сказал как-то: «Подвес Федченко мог быть изобретен и во времена Гюйгенса. Его создание не потребовало никаких новейших научных достижений, а только поразительно глубокой мысли».
Часовщики и кристалл

Что можно увидеть в кристалле кварца?

Минералог скажет: это твердый, тугоплавкий материал; сделанные из него предметы почти не изменяются в размерах при колебаниях температуры.

Физик добавит: ему свойствен пьезоэффект; на гранях сжатой кварцевой пластинки появляются электрические заряды и, наоборот – когда к ее граням подведен электрический ток, она сжимается.

Историк техники вспомнит: Пьер Кюри в 1880 г. превратил вырезанную из кристалла кварцевую пластинку в изящный генератор электрических зарядов. А профессор Поль Ланжевен вывел кварц из тиши лаборатории и сделал в 1916 г. средством борьбы с подводными лодками. В акустическом гидролокаторе Ланжевена кварцевые пластины были излучателями звука и приемниками эхо-сигналов, отраженных от стального корпуса лодки.

Радист назовет 1923 г., когда в журналах появились первые статьи о кварце как идеальном «якоре» для частоты передатчика. Кварц прочно удерживает радиостанцию в заданной точке на шкале частот.

Хранители же времени снимут с полки статью американского физика В.А. Мэррисона, датированную 1930 г., «Кристаллические часы». Тогда это было сенсацией: легкое дрожание кварцевой пластинки можно превратить в движение секундной стрелки часов. Точность их оставит далеко позади любые достижения часов механических.

Идея кварцевых часов очень проста. Кварцевую пластинку, брусок или диск подключают к радиолампе или полупроводниковому триоду. Пластинка играет роль маятника, лампа и транзистор – это механизмы, передающие «маятнику» энергию, нужную для поддержания колебаний. Вот и все. Радистов не смущает, что кварцевая пластинка колеблется очень быстро, с частотой в десятки и сотни тысяч герц. Они умеют делить частоту во сколько угодно раз. Получить 1 герц, а значит, и секунду – дело техники.

Вместе с тем высокочастотные колебания – это «микроскоп времени». Без особого труда можно получить тысячные, миллионные, миллиардные и еще более мелкие доли секунды. Единственное, чего нужно добиться, – это чтобы генератор частоты работал стабильно. И опять начинается погоня за точностью, попортившая столько крови часовщикам на протяжении последних четырех столетий. Защищать кварц требуется от изменений температуры и атмосферного давления, от ударов и вибраций. Сложности возрастают тем быстрее, чем к большей точности мы стремимся.
Поиски и находки

И маятник, и баланс, и кварц – качество всех этих колебательных систем выражают «добротностью»: показателем того, сколь быстро затухают колебания, будучи предоставленными сами себе, или, что то же самое, какая доля энергии рассеивается при каждом цикле колебаний. Если «улетучивается» 1/100 энергии – добротность равна 100, если 1/1000000 – миллион.

Конструкторы часов, как мы видели, в заботе о добротности стали прятать свои маятники в вакуум. Теми же соображениями руководствовались и создатели кварцевых резонаторов. Колебания кварца – это звук, хоть и неслышимый, он распространяется в воздухе, уносит впустую энергию – долой воздух! Добротность кварца, помещенного в вакуум, увеличилась, но совсем не так значительно, как должно было быть. Почему?

Кристаллическая решетка кварца близка к идеальной: в кристалле практически нет дефектов. Поэтому энергия, запасенная в пластине в виде ультразвука, внутри ее рассеиваться не будет. Иное дело – поверхность. Как ни старайся, на ней останутся невидимые глазом риски – следы распиливания кристалла, шлифовки и полировки. На этих рисках и тратится впустую энергия, они виноваты в недостаточно высокой добротности кварца.

Сотрудник ВНИИФТРИ А.Г. Смагин разработал в начале 50-х годов новый метод полировки – «асимптотическую доводку» все более тонкими абразивными порошками. Пластинки стали получаться более чем зеркальными, с микронеровностями меньше сотой доли длины световой волны. Соответственно возросла и добротность: десять, двадцать, тридцать миллионов единиц. А когда кварц охладили до температуры жидкого гелия, добротность стала совершенно фантастической – 86 млн. Методом Смагина снимают слои вещества толщиной в 0,0000001 миллиметра и соответственно точно подгоняют массу кварцевого бруска, от которой зависит точность генерируемой частоты.

Но одной подгонки мало. Кварц требуется поместить не просто в тепличные, а в супертепличные условия, чтобы добиться от генератора нужной стабильности.

Для защиты от изменений температуры уже давно кварцевые часы стали прятать в глубокие подвалы, в глухие, без окон комнаты. В каждой комнате – еще одна, тоже наглухо запертая, со своими стенами и потолком. Каждая покоится на отдельном фундаменте, а внутри на тяжелых бетонных постаментах – уже сами генераторы. Какая бы погода ни была на улице, здесь всегда около +20°C. Но главное даже не в комнатах: генератор заключен в термостат, а внутри в еще одном, маленьком термостате спрятан брусок кварца. Вся эта гигантская «матрешка» сделана с единственной целью – добиться, чтобы температура «гуляла» не более чем на 0,001°C в сутки.

Иногда миниатюрный кварцевый генератор опускают в пробуренную скважину на глубину 40...50 метров. Годовые и суточные изменения температуры доходят туда, ослабленные в десятки и сотни миллионов раз: они не превышают десятитысячной градуса.
От часов к эталону

Но все это метрологи узнали и приняли на вооружение лишь во второй половине нашего века. А в 1930 – 1932 гг., когда в Ленинградской Центральной радиолаборатории (ЦРЛ) разрабатывались первые в стране кварцевые часы, буквально до самых простых вещей приходилось добираться ощупью. Руководил работами инженер Павел Павлович Куровский, физик по специальности (он окончил Ленинградский университет), один из ведущих специалистов ЦРЛ по кварцевым резонаторам. Он был талантливым инженером, серьезным теоретиком, великолепным организатором. Дело, за которое брался, всегда продумывал исключительно глубоко, умел найти единомышленников и активных помощников в любом начинании. Достаточно будет сказать, что кварцевая лаборатория, как и отдел селеновых выпрямителей, которыми он руководил, превратились потом в научно-исследовательские институты.

В разработке кварцевых часов участвовали Е.С. Мушкин, А.А. Расплетин (впоследствии крупный специалист по радиолокации), В.П. Уфтюжанинов, С.С. Кошко. Стабильность частоты генератора соответствовала рекомендациям Международного консультативного комитета по радио. Но к тому времени, когда работа была закончена, Копенгагенская конференция рекомендовала повысить точность стандарта в десять раз. Созданный в 1935...1938 гг. второй генератор – «Эталон ПЭЧ-1» – не только отвечал этим требованиям, но и десятикратно превышал их. Пожалуй, лишь радисты способны в полной мере оценить масштаб трудностей, которые вставали тогда перед конструкторами (Е.С. Закс, В.М. Кэо, С.С. Кошко, В.П. Уфтюжанинов, А.А. Фрегатов и другие).

Когда началась Отечественная война, Куровский получил чрезвычайно важное задание – наладить серийный выпуск радиолокаторов РУС-2 «Редут». Работать пришлось в тяжелейших условиях блокированного фашистами города, при нехватке кадров и недостатке оборудования – основную часть его вывезли еще до блокады.

Что значили эти станции для осажденного города, нет нужды доказывать. Только 4 апреля 1942 г., когда фашистская авиация совершила самый крупный с начала войны налет на Ленинград, было сбито 25 и подбито 10 самолетов врага – более трети участвовавших в атаке. Противовоздушная оборона, предупрежденная радиолокаторами, сорвала замысел гитлеровцев уничтожить с воздуха корабли Балтийского флота и заводы Ленинграда.

Вдова П.П. Куровского, Екатерина Николаевна Тычинина, показала мне экземпляр многотиражки, выходившей в Ленинграде в то памятное время. Видел четыре портрета: монтажника Коршунова, начальника участка Браславского, инженера Романова и руководителя отдела Куровского – все они участвовали в выпуске «Редута». Но, конечно, даже намека на это в газете я не нашел. Локаторы, о которых нынче можно прочесть во множестве справочников, тогда были секретными. Эвакуированный позднее из Ленинграда, Куровский активно включился в работу по усовершенствованию локаторов.

Он умер, когда ему было всего 44 года. Сказалась блокада, работа «на износ» в военные годы, гибель – и не только на фронте – многих друзей. Сердце не выдержало непосильной нагрузки...

После войны создание эталона частоты поручили Всесоюзному научно-исследовательскому институту метрологии им. Д.И. Менделеева. К 1949 г. государственный эталон частоты, состоящий из трех кварцевых генераторов, был аттестован – стал официально признанным прибором. Число «три» гарантировало, что даже если один из генераторов внезапно выйдет из строя, два других будут по-прежнему работать. Итак, рядом с астрономическим временем появилось кварцевое? Нет. Надежность электроники оказалась еще слишком низкой, чтобы время могло опереться на кварц. Радиолампы и другие детали не отличались долговечностью, а от эталона времени требуется безотказная работа в течение многих десятилетий, а лучше сказать – вечно.

К тому же, хотя кварц и обеспечил большую, чем у астрономических часов, стабильность частоты, он не мог похвастаться ее точностью. Неискушенному человеку может показаться несущественным это различие, однако оно имеет принципиальное значение.

Стабильность зависит от того, насколько мы сумели защитить колебательную систему – кварц или маятник – от всякого рода мешающих влияний. В случае кварцевого генератора этого добиться легче, чем когда имеешь дело с маятником.

А вот точность... Маятниковые часы опираются в качестве эталона на вращение Земли. На что опереться кварцу? Сам по себе он может генерировать любую частоту, какую только мы захотим, но задача метрологов – добиться не «любой» частоты, а вполне определенной, чтобы в конце концов получить именно один герц, одну секунду.

Может быть, настроить кварц по вращению Земли? Когда это сделали, вдруг выяснилось, что она в качестве эталона для кварца не годится. Стабильность генератора была выше, чем стабильность вращения планеты. Буквально за несколько месяцев кварцевая и «земная» секунды разошлись.

В довершение всех бед стало ясно, что кварц принципиально не в состоянии долго, т.е. годами, хранить заданную частоту. С течением времени изменяются размеры пластинки (кристаллическая решетка, слегка нарушенная при обработке, возвращается в исходное состояние), падает упругость, иной становится эластичность нитей, на которых кварц подвешен в своей стеклянной колбе, даже вакуум не остается постоянным. Все эти неизвестно как меняющиеся факторы влияют на частоту – одни больше, другие меньше, но влияют непременно.

Кварц оказался недостойным звания эталона времени. Какой же это эталон, если он сам не знает, какую частоту генерирует, если его то и дело нужно проверять?

Так они и сосуществовали: Земля как эталон времени, кварцевый генератор как эталон частоты. Для длинных астрономических наблюдений – Земля, для кратковременных радиотехнических измерений кварц. Каждому эталону свое поле забот.

Время, продиктованное молекулами и атомами

В 1954 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров в Физическом институте АН СССР и Ч. Таунс, Дж. Гордон и Х. Цейгер в Колумбийском университете Нью-Йорка одновременно и независимо друг от друга создали генераторы высокочастотных колебаний, в которых роль «кварцевых пластинок» сыграли молекулы аммиака. Выдающееся достижение обеих групп было отмечено Нобелевской премией.

А в октябре 1967 г. XIII Международная конференция по мерам и весам постановила: «Секунда – это 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». Этими словами официально началась новая эра в метрологии.

Чтобы оценить величие случившегося, нам придется отойти в самое начало XX в., когда сорокадвухлетний берлинский академик Макс Планк предположил, что электромагнитные волны излучаются и поглощаются не сплошным потоком, а порциями, квантами.

Такое допущение было нужно ему, чтобы связать воедино два противоречащих друг другу закона: Рэлея – Джинса и Вина. Первый утверждал, что мощность излучения тем выше, чем короче электромагнитная волна, а второй столь же безапелляционно ему противоречил и заявлял, что с уменьшением длины волны мощность уменьшается. (Ученые тогда еще не знали, что законы эти ограничены и описывают каждый свою область излучения.) С квантами же оба закона объединялись в один, очень точно описывающий явление.

Но действительно ли существуют кванты? Планк сам был не очень в этом уверен. Ему казалось, что в таком допущении есть нечто искусственное. Так же отнеслись к идее квантов многие коллеги Планка. Многие, но не все.

Одним из тех, кто в полной мере оценил могущество гипотезы «порций излучения», был Эйнштейн. И не только оценил, но и развил, доказав в 1905 г. физическую реальность квантов. Они помогли творцу теории относительности объяснить, почему одни световые лучи выбивают из металла электроны, а другие – нет. За эту работу, в которой не было ничего недоступного для понимания современного десятиклассника, он получил в 1921 г. Нобелевскую премию.

Поглощая и испуская кванты, атомы и молекулы приобретают или излучают энергию. Поглотив ее, атом (будем говорить в дальнейшем только о нем) может, например, потерять электрон – ионизироваться. Если же энергия кванта не очень велика, электрон лишь слегка сместится на другую орбиту. Атом перейдет в «возбужденное» состояние: Через некоторое время электрон вернется на свое место, а атом избавится от «съеденного» кванта, выбросит его наружу в виде электромагнитной волны, частота которой зависит от энергии кванта. В случае молекулы дело обстоит несколько сложнее, но это уже тонкости.

Как скоро возбужденный атом превратится снова в обыкновенный? Этого никто не может сказать. Может быть, через тысячную секунды, может быть, через секунду. Но ученый знает, что для каждой энергии и каждого атома есть своя вполне определенная вероятность того, сколько времени он просуществует в возбужденном состоянии.

Поглощаются (и, стало быть, испускаются) вовсе не любые кванты, а лишь те, которые «разрешает» внутреннее строение атома или молекулы. Скажем, молекулы аммиака способны излучать, среди прочих, кванты с частотой 23 870 мегагерц, атомы водорода – 1420 мегагерц.

Создатели первого квантового генератора сумели извлечь спрятанный радиосигнал из молекул аммиака.

Для этого пришлось научиться сортировать молекулы. Они ведь с равным успехом могут находиться и в возбужденном состоянии – условно назовем его «красным» – ив обычном – «синем», так что в колбе с газом тех и других будет почти поровну (строго говоря, «синих» больше). Из этой мешанины кванта не извлечешь. Как только «красная» молекула от него освободится, его немедленно поглотит, словно мелкую рыбешку, «синяя» хищница и превратится в «красную». Молекулы перебрасываются квантами, оставляя нас, как говорится, при своем интересе. Какой барьер поставить на пути хищников?

Этим барьером стало электрическое поле. Его можно сформировать таким, что оно отбросит в сторону «синие» молекулы, а «красные», наоборот, соберет в тонкий пучок. Из сортирующего устройства вылетят уже только те молекулы, которые нам нужны.

Что ж, готов генератор? Пока еще нет. Пучок молекул будет испускать кванты, но уловить их мы не сможем. Энергия их как бы размазана по длине пучка. Еще более важно, что далеко не все молекулы совершают нужное нам превращение. Оно, как вы помните, лишь вероятно, но вовсе не обязательно. Очень многие переходы из «красного» в «синее» состояние совершатся вообще за пределами генератора. Силы, брошенные на сортировку, затрачены впустую. Вот собрать бы все «красные» молекулы в ловушку да заставить отдать по кванту, – тогда энергию их наш приемник уловил бы. Но как заставить?

Физики вспомнили об одной работе Эйнштейна, относящейся к 1917 г. Она разрешала атомам излучать кванты не только самопроизвольно, но и вынужденно.

Иными словами, достаточно по возбужденному атому ударить квантом с точно такой же энергией, которую атом намеревается выбросить, – и произойдет переход из «красного» состояния в «синее». Самое же приятное, что ударяющий квант не погибает. После его первого столкновения с атомом исследователь получает два кванта, после их нового соударения с другими атомами – четыре, потом восемь, шестнадцать и т.д... Помните историю с индийским царем, который принял условие, заплатить изобретателю шахмат за каждую клетку доски вдвое больше зерен, чем за предыдущую? Здесь те же «правила игры». Начав с одного-единственного кванта, установка выбрасывает мощный поток электромагнитных волн. Так, например, действует лазер, работающий в импульсном режиме: он то копит в себе «красные» молекулы (как – нас сейчас не интересует), то мгновенно переводит их все в «синее» состояние.

Чтобы зазвучал непрерывный сигнал, нужно все время получать откуда-то «красные» молекулы – хотя бы с помощью нашего сортировочного электрического поля. Да найти ловушку для квантов, чтобы ни один не потерялся.

Такие ловушки для радиоволн – объемные резонаторы давно известны радистам. Внешне это металлическая коробочка с одним или несколькими небольшими отверстиями. Радиоволны накапливаются там, словно вода, капля за каплей падающая в стакан. К сожалению, энергия радиоволн слегка греет стенки резонатора, поэтому ее приходится непрерывно пополнять: наш «стакан» для электромагнитной энергии слегка дырявый.

Чтобы «заткнуть дырки» (уменьшить потери), ловушку для радиоволн внутри серебрят, ведь серебро – самый лучший проводник электрического тока.

Резонатор и поставили на пути молекул аммиака создатели квантового, генератора. «Красные» молекулы ворвались в него, чтобы немедленно «красными» же вылететь наружу. Не тут-то было! Пока они находились внутри, одна из молекул испустила квант. Он отразился от стенки резонатора и ударил в другую молекулу, заставил ее отдать порцию энергии – лавинообразный процесс начался.

Он бы так и развивался до бесконечности, если бы не два препятствия. Во-первых, часть квантов теряется, поглощенная стенками резонатора. Во-вторых, чем больше квантов, тем больше «синих» молекул, способных ловить кванты, дабы приобрести «красную» окраску. Так что из молекул, находящихся в пучке, не больше половины поработает на пользу генератора. Пучок же приходится делать реденьким, чтобы исключить столкновения молекул между собой и их «посинение» без выброса кванта. Вот почему мощность, которую развивает наш квантовый генератор даже с очень хорошим резонатором, ничтожна.
Наконец-то часы!

«Молекулярный генератор может быть использован в качестве абсолютного эталона частоты (времени) высокой точности» – подвели итог своей работы Басов и Прохоров в статье «Молекулярный генератор и усилитель», напечатанной в ноябре 1955 г.

Действительно, внутриатомные и внутримолекулярные процессы хорошо поддаются расчету (не все, конечно, но во всяком случае те, которые нас интересуют), кванты выбрасываются в строгом соответствии с теорией. А главное, процессы эти очень стабильны, так что «порции энергии» получаются чрезвычайно похожими друг на друга. В случае аммиака разница измеряется несколькими стомиллионными или даже миллиардной долей процента. Вот она, эталонная частота!

Правда, частоту квантов молекул аммиака (да, как правило, и других веществ) невозможно поделить так, чтобы в конце концов обрести любезную нашему сердцу секунду – частоту 1 герц. Только для простоты говорится, что частота кванта равна 23 870 мегагерцам, а на самом деле число это не круглое. Пришлось пойти на хитрость.

Как вы помните, кварцевый генератор оказался не способным выполнять роль эталона, потому что его частота непрерывно «плывет» неведомо куда. С другой стороны, хорошо известна частота квантов аммиака. Что если сравнить эти частоты? Ведь тогда полностью удастся исключить неопределенность кварца.

Однако просто взять и вычесть частоты нельзя. Разница будет столь велика, что измерить ее с нужной точностью не удастся. Приходится частоту кварца сначала умножать в несколько сотен или тысяч раз (это не так уж трудно, как может показаться), а только потом вычитать. Разница – это как бы отклонение стрелки весов. Если она колеблется, частота кварца не стабильна. Но радисты умеют с очень большой скоростью подстраивать частоту генератора. Автоматическая система чутко следит, чтобы «стрелка весов» стояла как вкопанная. Вот теперь можно смело утверждать: частота 1 герц, выработанная из частоты кварца, идеально привязана к частоте квантового генератора. Способ длинный, что делать, зато надежный.

Квантовые часы на аммиаке сразу же снизили вариацию хода до 0,000001 секунды в сутки, так что опытному глазу стали видны неравномерности во вращении Земли. В Пулковской обсерватории в конце 50-х – начале 60-х годов аммиачный генератор использовался как эталон времени. Но... более детальные исследования показали, что и он не идеален, что и у него есть свои погрешности. С немалыми хитростями удалось снизить их еще в несколько раз, и стало ясно: дальнейшие успехи нужно искать на иных путях.

Одна из причин, поставившая предел повышению точности, – «соотношение неопределенностей», фундаментальное понятие физики элементарных частиц. Его ввел немецкий исследователь В. Гейзенберг в 1927 г. Оно отражает «странные» свойства микромира. Оказывается, энергию любой частицы, в том числе и кванта (а стало быть, и частоту), можно измерить только с некоторой наперед заданной точностью. Ошибка неизбежна, и зависит она от длительности наблюдения, т.е. времени взаимодействия частицы с измерительным прибором. Погрешность обратится в нуль, когда время это станет равно бесконечности. Грубо говоря, если наблюдение длится 1/10 секунды – ошибка составит 10 герц. Дальше следует простая арифметическая задача: длина резонатора несколько сантиметров, скорость молекул – несколько километров в секунду. Ответ: абсолютная ошибка измерения частоты – порядка 3000 Гц. Аммиак стал препятствием для дальнейшего роста точности.