Время — это фундаментальная величина, от которой зависят все сферы человеческой деятельности: от работы спутников GPS до синхронизации телекоммуникаций и научных экспериментов на грани квантовой физики. Поэтому борьба за создание максимально точных часов никогда не прекращается. Недавно исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST, США) установили новый рекорд точности, усовершенствовав свои оптические атомные часы на основе захваченного иона алюминия. Эти часы способны измерять время с невероятной точностью — до 19 знаков после запятой. Чтобы представить масштаб этого достижения, достаточно сказать: такие часы не ошибутся ни на секунду за миллиарды лет.
Что такое оптические атомные часы?
В отличие от традиционных кварцевых часов или даже цезиевых атомных стандартов, оптические атомные часы измеряют частоту колебаний атомов в оптическом диапазоне. У цезия частота «тика» составляет около 9 миллиардов колебаний в секунду, а у алюминия она в десятки тысяч раз выше. Чем выше частота, тем более точным может быть измерение времени, ведь даже малейшие колебания или погрешности становятся заметными. Это позволяет фиксировать временные промежутки с невероятной детализацией.
Прорыв ученых NIST
Исследования над алюминиевыми ионными часами велись более 20 лет. Новый рекорд точности, который на 41% превысил предыдущие достижения, стал возможен благодаря комплексной модернизации системы. Кроме того, эти часы оказались в 2,6 раза стабильнее любых других ионных часов. Такая стабильность означает, что результаты измерений практически не подвержены случайным колебаниям, вызванным внешними факторами.
«Работа над самыми точными часами в истории — это захватывающее занятие. Мы можем реализовывать долгосрочные планы по прецизионным измерениям, которые открывают новые горизонты в науке», — отметил Мейсон Маршалл, один из ведущих исследователей проекта.
Почему алюминий и магний?
Ион алюминия известен своим крайне стабильным «тиканьем» и низкой чувствительностью к влиянию внешней среды: колебаниям температуры, магнитным полям и другим помехам. Однако работа с ним связана с определёнными трудностями: алюминий плохо охлаждается лазерами и сложен в управлении. Чтобы обойти это ограничение, учёные использовали магний в качестве «партнёра» алюминия. Магний проще контролировать лазерными методами, а его свойства помогают поддерживать стабильное состояние алюминиевого иона.
Технологические усовершенствования
Ключевым шагом на пути к рекорду стала модернизация ловушки для ионов. В старых версиях часов электрический дисбаланс на электродах создавал паразитные поля, из-за которых ионы слегка смещались, что уменьшало точность. Чтобы устранить эту проблему, команда NIST сменила конструкцию ловушки: она была помещена на более толстую алмазную пластину, а электроды получили новое золотое покрытие с увеличенной толщиной. Это снизило сопротивление и сделало движение ионов практически незаметным.
Также была усовершенствована вакуумная камера. Новый корпус из титана позволил снизить уровень фонового водорода в 150 раз. Благодаря этому ионы могут находиться в ловушке несколько суток без «обслуживания», тогда как раньше систему приходилось перенастраивать каждые полчаса.
Роль сверхстабильных лазеров
Лазер, используемый для зондирования ионов, играет ключевую роль. В версии часов 2019 года требовались недели непрерывной работы, чтобы усреднить квантовые флуктуации — случайные колебания энергетических уровней атомов.
Чтобы ускорить процесс, команда обратилась за помощью к лаборатории Цзюня Йе, которая располагает одним из самых стабильных лазеров в мире. Это позволило увеличить время наблюдения за ионом с 150 миллисекунд до целой секунды, что радикально улучшило точность измерений. Теперь достижение точности на уровне 19-го знака после запятой требует не недель, а всего полутора суток экспериментов.
Для чего нужны такие часы?
На первый взгляд может показаться, что такие достижения нужны только для рекордов. Но на практике сверхточные часы — это ключ к множеству технологий. Они позволяют улучшать работу глобальных навигационных систем, корректировать орбиты спутников, синхронизировать телекоммуникационные сети. Кроме того, сверхточное время открывает путь к новым тестам фундаментальных законов физики. Например, такие часы могут фиксировать едва заметные изменения гравитационного поля или даже использоваться для поиска тёмной материи.
Будущее оптических часов
С рекордом NIST началась новая эпоха в измерении времени. Учёные уже обсуждают возможность пересмотра международного эталона секунды, основанного на колебаниях цезия. Возможно, в ближайшие десятилетия именно алюминиевые часы станут основой нового определения времени.
«Наши эксперименты показывают, что мы достигли уровня, при котором погрешность измерений стала почти исчезающе малой. Это открывает путь к физике будущего», — подытожил Дэвид Хьюм, руководитель проекта.