Ученые разработали самые точные атомные часы на сегодняшний день: если вы проследите за ними в течение времени, вдвое превышающего нынешний возраст Вселенной, они отклонятся всего на одну секунду. Это могло бы не только улучшить такие услуги, как GPS, но и помочь ученым исследовать, как гравитация искажает течение времени на субмиллиметровых расстояниях.
Ваши часы с Микки Маусом прекрасно отслеживают время в повседневных целях — быть секундой позже или раньше, здесь или там не имеет значения для встреч или обедов. Но для сложных событий, таких как космические запуски, различия в доли секунды могут означать разницу между выскакиванием пробки от шампанского в диспетчерской и самыми дорогостоящими взрывами, которые могут произвести люди.
Атомные часы — невероятно точные инструменты, позволяющие совершать такие впечатляющие достижения. Они работают, подсчитывая чрезвычайно предсказуемые вибрации определенных атомов — например, цезий-133 «тикает» ровно 9 192 631 770 раз в секунду, и это используется для официального определения длины секунды с 1960-х годов. Их точность составляет одну секунду за 300 миллионов лет.
Теперь ученые из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) разработали гораздо более точные атомные часы. Они основаны на нескольких разработках, которые команда создавала на протяжении многих лет. Во-первых, используются не атомы цезия, а стронций, который тикает безумные 429 триллионов раз в секунду. Вместо того, чтобы измерять эти тики с помощью микроволн, этот вид атомных часов использует видимые световые волны, которые имеют гораздо более высокую частоту.
Десятки тысяч этих атомов стронция пойманы в своего рода лазерную сеть, или «оптическую решетку», которая удерживает их на месте, пока они исполняют свой предсказуемый танец. Наличие такого большого количества данных в одном месте помогает повысить точность, причем за миллиарды лет она снижается всего на одну секунду.
Лазеры улавливают облако атомов стронция внутри «оптической решетки» самых точных в мире атомных часов. Фото: K. Palubicki/NIST
Новые атомные часы команды JILA повышают точность до рекордного уровня, используя более мелкую и мягкую световую ловушку. Это предотвращает два источника ошибок, которые часто возникают в атомных часах на оптической решетке: влияние лазерного света и столкновение атомов друг с другом.
Эта новая конструкция, очевидно, имеет точность в пределах 8,1 частей на 10 квинтиллионов (10 с последующими 19 нулями). Другими словами, если бы часы проработали 30 миллиардов лет, то часы отставали бы всего на одну секунду – это более чем в два раза превышает нынешний возраст Вселенной. Это чертовски точно, вот что мы пытаемся сказать.
Эта ошеломляющая точность может быть использована для измерения времени лучше, чем когда-либо прежде, улучшая такие технологии, как GPS и связь. Но это также может помочь исследовать саму физику — в конце концов, гравитация может изменить скорость течения времени, и этот инструмент может измерить эту разницу на расстояниях около толщины одного волоса.
«Эти часы настолько точны, что могут обнаруживать крошечные эффекты, предсказанные такими теориями, как общая теория относительности, даже в микроскопическом масштабе», — сказал Цзюнь Е (Jun Ye), автор исследования. «Это расширяет границы возможностей измерений хода времени».
Исследование было принято к публикации в журнале Physical Review Letters и в настоящее время доступно в виде препринта на ArXiv.
Источник: NIST
