Одна квинтиллионная секунды: достигнут новый рекорд точности атомных часов

Беспрецедентно точное измерение времени с отклонением не более одной секунды за 300 млн лет стало доступно человечеству в середине 1950‑х с изобретением атомных часов. Сегодня этот рекорд пунктуальности побит благодаря новым оптическим атомным часам. Рассказываем, что это такое и для чего нужно.

Секундомер из цезия

Атомные часы, появившиеся в 1950-е годы, по сей день оставались самым точным прибором для измерения времени. В них используются атомы цезия, охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю. Принцип работы основан на измерении резонансной частоты этих атомов. Переходя с одного энергетического уровня на другой, атом цезия испускает или поглощает электромагнитное излучение на очень точной частоте, которая служит эталоном для колебаний часов.

Международная система единиц определяет одну секунду как 9192 631770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями атома цезия-133. Согласно этому определению, он является стандартом для измерений времени и частоты.

Объем допустимых отклонений у атомных часов не превышает 10–14–10–15, а в специальных конструкциях — 10–17. Это значит, что за 300 млн лет накопленная погрешность составит не более секунды.

Одно из самых распространенных применений атомных часов — системы глобального позиционирования, например GPS или ГЛОНАСС. На геоспутниках устанавливают атомные часы, которые синхронизируют сигналы этих систем, позволяя приемникам на Земле с высокой точностью вычислять их местоположение. Ведь принцип, заложенный мореходами еще в эпоху Великих географических открытий начала XV века, остался неизменным: градус эклиптики Солнца или звезды, восходящей над горизонтом в момент наблюдения, определяет географическую широту, а для определения долготы необходимо знать точное время в данной точке. Именно потому первые относительно точные морские карты возникли только с появлением бортовых хронометров — часов, установленных на корабле.

Другие сферы применения атомных часов — навигация спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок. Такие часы используются и в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в том числе в базовых станциях мобильной связи, а также для синхронизации цифровых финансовых операций и в международных научных исследованиях, прежде всего физических.

Пунктуальность стронция

Однако хронологическая точность энергетических переходов атомов цезия-133 оказалась не предельной. Благодаря коллаборации американских ученых из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA), Национального института стандартов и технологий (NIST) и Колорадского университета появились самые точные атомные часы на сегодняшний день. Это оптический измерительный прибор, где используются атомы стронция, которые колеблются 429 трлн раз в секунду. Измерения выполняются с помощью видимого света, частота которого выше, чем у микроволн.

Десятки тысяч атомов стронция заключены в световую решетку, что позволяет значительно повысить точность измерений, исключая ошибки от лазерного излучения и столкновений атомов. В результате точность составляет 8,1 единицы к 10 квинтиллионам (1018). Иными словами, часы отклонятся на одну секунду только через 30 млрд лет, что более чем вдвое превышает возраст Вселенной. По словам разработчиков, такая чувствительность позволит фиксировать гравитационные искажения времени на расстояниях, сравнимых с толщиной человеческого волоса, что открывает новые возможности. Например, оптические структуры могут повысить точность спутниковых навигационных систем в тысячу раз, что навсегда изменит навигацию и картографию.

Новое поколение часов также может сыграть ключевую роль в освоении космоса. По мере того, как люди будут осваивать новые объекты Солнечной системы, приборам придется определять время на огромных расстояниях, и даже незначительные ошибки смогут привести к критическим погрешностям в навигации. «Если мы хотим посадить космический аппарат на Марс с высокой точностью, нам понадобятся часы, которые будут на порядок точнее, чем те, что мы имеем сегодня», — отмечают ученые.

Кроме того, оптические атомные часы позволяют проверить базовые положения общей теории относительности Эйнштейна. Эти устройства способны выявить малейшие эффекты искривления пространства-времени даже в микроскопических масштабах, что дает уникальную возможность проверить физические теории с беспрецедентной строгостью.

Подробности исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Российский вклад

В России разработки оптических атомных часов ведутся с середины нулевых. В 2017-м Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) заявил о создании собственного оптического атомного хронометра на холодных атомах рубидия и стронция с допустимой погрешностью в одну секунду за несколько миллиардов лет. Аналогичные оптические часы специалисты ВНИИФТРИ помогли разработать турецким коллегам из Национального метрологического института (TÜBİTAK UME).