Новые атомные часы отстанут на секунду через 15 миллиардов лет

Физики из Национального института стандартов и технологий США создали новую модификацию атомных часов на основе стронция. Она позволяет добиться рекордной стабильности и точности: погрешность составит лишь одну секунду в 15 миллиардов лет (к слову, примерно таков нынешний возраст Вселенной).

Такая безумная, на первый взгляд, точность хронометража имеет большое значение для современных средств связи, технологий позиционирования (например, для GPS) и многих других технологий.

Атомные часы используются также в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, международными и национальными бюро стандартов и службами точного времени, которые периодически транслируют временные сигналы по радио. Помимо этого такие часы могут служить для разработки чувствительного высотомера, который будет ориентироваться на изменения в силе тяжести (меняется с высотой), и для экспериментов, которые исследуют квантовые корреляции между атомами.

Новые часы, разработанные учёными из Института JILA, в настоящее время более чем в три раза превосходят по точности версию, разработанную в предыдущем году, тоже установившую мировой рекорд на тот момент. Точность означает, насколько "ход" часов соответствует истинной резонансной частоте, при которой атомы стронция колеблются между двумя энергетическими уровнями.

Стабильность часов, то есть разница во времени, на которое каждый последующий "тик" отличается от предыдущего, также была улучшена почти на 50%, что тоже является новым мировым рекордом.

Часы JILA в настоящее время достаточно хороши, чтобы измерить крошечные изменения в течении времени и силы тяжести на нескольких различных высотах. Эйнштейн предсказывал подобные эффекты в своей теории относительности, в частности и то, что часы идут быстрее на более высоких отметках. Многие учёные уже продемонстрировали это, но с помощью менее чувствительных методов.

"Наша разработка позволяет измерять гравитационное смещение в случае изменения высоты всего на 2 сантиметра над поверхностью Земли, – рассказывает сотрудник JILA Цзюнь Е (Jun Ye). – Я думаю, что подобное устройство будет полезно даже для релятивистской геодезии, основная идея которой — использование сети часов в качестве гравитационных датчиков, что поможет провести невероятно детальное трёхмерное измерение формы Земли. Часы, способные обнаружить гравитационное смещение при различии в высоту всего в 1 сантиметр, могут быть использованы для геодезических измерений наряду с обычными технологиями — приливомерами и гравиметрами".

В часах JILA несколько тысяч атомов стронция располагаются в оптической ловушке в виде колонны размером 30 на 30 микрометров в 400 похожих на блины фигурах. Оптическая ловушка создаётся при помощи мощных лазерных лучей. Исследователи обнаружили "тики" (колебания) атомов стронция (430 триллионов в секунду) при нахождении в очень стабильном свете красного лазера на тех частотах, которые приводят к "переключениям" между энергетическими уровнями.

Группа JILA провела последние усовершенствования с помощью специалистов Национального института стандартов и технологий США и Объединённого квантового института. Вместе они смогли улучшить измерения и расчёты, минимизировав ошибки измерения времени, связанные с тепловым воздействием окружающей среды (излучение абсолютно чёрного тела). Электрическое поле, связанное с излучением чёрного тела, изменяет реакцию атомов лазерного света, тем самым добавляя неконтролируемые неопределённости в измерения.

Чтобы измерять и поддерживать необходимые температурные условия на одном уровне, физики откалибровали два платиновых термометра сопротивления. Они затем были установлены в вакуумной камере часов. Исследователи также сконструировали экран для защиты от радиации, который окружает атомную камеру. Он позволил часам работать при комнатной температуре, а не в криогенных условиях, как это было раньше.

"Данная модификация работает при нормальной комнатной температуре, что является одной из самых сильных сторон нашего подхода", – отмечает Цзюнь Е.

Научная статья о новых атомных часах была опубликована в издании Nature Communications.