Оптические атомные часы: длительность секунды будет уточнена?
В нашем мире очень многие важные вещи зависят от точного времени. Все системы телекоммуникаций и энергоснабжения, GPS-навигация и финансовые сети — все они связаны с сетью из примерно 500 атомных часов, установленных по всему миру. Чем точнее часы, тем выше точность навигации, распределения сигналов, скорость управления транзакциями.
Напомним, что работа любых часов сводится к подсчёту повторяющихся событий с известной частотой, например, колебаний маятника. В классических атомных часах таким повторяющимся событием являются естественные колебания атома цезия, происходящие с частотой в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра. С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как время, за которое происходит 9 192 631 770 циклов таких колебаний.
Высочайшая точность атомных часов обусловлена тем, что они построены на естественных колебаниях атомов, однако даже в лучших экземплярах может накапливаться ошибка порядка 1 наносекунды в месяц.
Оптические атомные часы
В оптических атомных часах используются атомы или ионы, колеблющиеся с частотой, которая примерно в 100 000 раз выше микроволновой, и которая находится в оптическом или видимом диапазоне электромагнитного спектра. Это означает, что они «тикают» существенно быстрее микроволновых, то есть с намного более высокой точностью. Однако проблема заключается в том, что из-за сложности конструкции такие часы периодически отключаются. Читать далее
Немецкие учёные из Национального института Метрологии Германии (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) предложили использовать для решения этой проблемы коммерчески доступный мазер с оптическими часами на основе колебаний атомов стронция в оптической решётке. Мазер, водородный квантовый генератор, излучающий в микроволновом диапазоне, может использоваться в качестве надёжного маятника ограниченной точности и работать во время отключения оптических часов. В процессе настройки установки были тщательно согласованы частоты мазера и гораздо быстрее «тикающих» оптических часов.
Схема установки с мазером и оптическими часами
Результат оказался обнадёживающим: такой гибрид успешно проработал в течение 25 дней, причём сами оптические часы функционировали примерно 50% этого времени. И даже несмотря на периодическое отключение оптических часов, которое длилось от нескольких минут до двух дней, ошибка в отсчёте времени составила менее 0,20 нс за всё время эксперимента.
Начало практического использования оптических атомных часов повлечёт за собой не только намного более высокую точность подсчёта времени, но и необходимость пересмотра эталонного значения секунды в международной системе единиц СИ. Сравнив частоту «тиканья» экспериментальной установки из мазера и оптических часов с двумя микроволновыми, учёные получили относительную погрешность около 2.5×10−16, то есть около 100 секунд за 14 миллиардов лет — за всё время существования Вселенной!
Однако при этом учёные пока не считают уточнение значения секунды задачей первостепенной важности: сначала нужно прийти к пониманию того, какие именно из разных типов оптических часов лучше всего подходят для отсчёта мирового времени. Более того, технологии оптических атомных часов непрерывно совершенствуются, и пока достоверно не известен каковы реальные пределы точности таких устройств.
Исследования по созданию как можно более точных атомных часов ведутся не только в Германии, но и по всему миру. В частности, в США учёные из NIST построили оптические часы с атомами иттербия и установили с их помощью рекорд стабильности, ведутся работы по изучению изотопа тория, на основе которого теоретически можно построить высокоточные ядерные часы.
