Механизм работы атомных часов связан с тем самым процессом стремительного подъема и спуска возбужденных электронов в атоме, который уже обсуждался выше. Но атомные часы также используют и более незаметные движения, укладывающиеся в «тонкую структуру» электрона. Если обычный прыжок электрона напоминает изменение голоса вокалиста, который пел ноту «соль» и сразу перешел на ноту «соль» другой октавы, то движение в рамках тонкой структуры напоминает изменение высоты с «соль» до «соль-диез». Проявления тонкой структуры наиболее заметны в магнитном поле и обычно обусловлены факторами, которые можно смело игнорировать, если только вы не изучаете исключительно сложный университетский курс физики. Речь идет о магнитных взаимодействиях между протонами и электронами либо о поправках, которые делаются с учетом эйнштейновской теории относительности. С учетом всех этих мельчайших поправок[161] электрон оказывается после прыжка чуть ниже (соль-бемоль) или чуть выше (соль-диез), чем ожидалось.
Электрон «решает», какой прыжок сделать, на основании присущего ему спина. Поэтому электрон не может сразу перескочить с «диеза» на «бемоль». Он обязательно прыгает либо вверх, либо вниз. В атомных часах, напоминающих длинные и тонкие трубки пневмопочты, магнит вытесняет все атомы цезия, внешние электроны которого прыгнули на уровень, соответствующий, скажем, «соль-бемолю». В трубке остаются лишь такие атомы, электроны которых соответствуют «соль-диезу». Эти атомы собираются в специальную камеру, где возбуждаются под действием интенсивного микроволнового излучения. В результате электроны «подскакивают» (то есть поднимаются вверх и падают вниз), излучая при этом фотоны. Каждый прыжок очень упругий, и на него всегда уходит один и тот же (исключительно краткий) период времени. Поэтому атомные часы могут измерять время, просто подсчитывая фотоны. На самом деле, даже не важно, какие атомы вы будете вытеснять – соль-диезные или соль-бемольные, но вы обязательно должны их разделить, поскольку прыжки на разные уровни требуют разного количества времени. Для метрологов такая неточность неприемлема.
Цезий оказался очень удобным материалом для «заводной пружины» в атомных часах, поскольку на внешнем уровне атома этого элемента находится всего один электрон, рядом с ним нет других электронов, которые могли бы его прикрывать. Громоздкие и тяжелые атомы цезия – удобные мишени для мазера, который заставляет их вибрировать. Однако даже в крупном цезии внешний электрон отличается прыткостью. Он успевает совершить за секунду не десятки, не тысячи, а 9 192 631 770 колебаний. Ученые остановились на этой неуклюжей величине, а не, скажем, на 9 192 631 769 или 9 192 631 771, так как именно в 9 192 631 770 колебаний была оценена точная длительность секунды еще в 1955 году, когда были сконструированы первые цезиевые атомные часы. Как бы то ни было, в настоящее время величина 9 192 631 770 считается фиксированной. Единица времени стала первым эталоном, точное значение которого стало возможно переслать по электронной почте. Именно после получения такого универсального определения секунды человечество уже в 1960 году отказалось от платинового эталона метра.