Глубина понимания основ мироздания ограничена точностью научных инструментов. Чем они точнее, тем больше учёные узнают о свойствах материи. Предел был достигнут при изучении квантовых явлений, точность измерения которых совпадала с расчётами до 12 знаков после запятой. Учёные из Национального института стандартов и технологий США (NIST) позволят заглянуть дальше. Для этого они создали самые совершенные атомные часы с точностью до 19 цифры после запятой.

Источник изображений: NIST

Исследователи из NIST около 20 лет совершенствуют свои атомные часы на основе иона алюминия. Ион алюминия может «тикать» с самой высокой частотой, превосходя по этому параметру и стабильности популярные среди учёных атомные часы на основе цезия. Однако в работе с ионами алюминия существует другая проблема — их очень сложно охлаждать и измерять, хотя они малочувствительны к магнитным полям и колебаниям температуры. Чтобы «приручить» ионы алюминия и заставить их отсчитывать время, пришлось разработать особую ионную ловушку, на модернизацию которой ушли многие годы исследований.

Финальная на сегодняшний день разработка представляет собой утолщённое алмазное основание и более толстые электроды из золота, которые помогли «рассасывать» паразитные электромагнитные поля на противоположных контактах ловушки. Поскольку напрямую ион алюминия сложно обнаружить и измерить его частоту — «тиканье», учёные добавили в ловушку компаньона — ион магния. Ион магния помог снизить температуру колебаний иона алюминия — охлаждал его, а также служил своеобразным зондом для считывания характеристик иона алюминия.

Оба иона были тесно связаны в ловушке ядерными взаимодействиями и известным образом влияли друг на друга. Для считывания состояний иона магния использовалась квантово-логическая спектроскопия. Выше, на снимке во врезке, можно чётко проследить заряд иона магния, тогда как для иона алюминия известна только примерная область его нахождения (обведена зелёным кружком).

В паре с ионом магния ион алюминия, возбуждаемый высокостабильным лазером от установки JILA (оптический канал от которой пришлось тянуть по подземным коммуникациям на расстояние 3,6 км), продемонстрировал чрезвычайную стабильность, устойчивость колебаний и невероятную точность «тиканья». Это позволяет говорить о новом рекорде в точности атомных часов — до 19-го знака после запятой, или на 40 % точнее, чем в предыдущих платформах.

Новые часы позволяют измерять время намного быстрее прежних. В частности, если раньше на каждое измерение уходили недели, то теперь оно сократилось до полутора суток. Ограничивающим фактором было небольшое время удержания возбужденного состояния иона — на уровне всего 150 мс. Модернизация установки увеличила это время до одной секунды.

Невиданная ранее точность и стабильность отсчёта времени позволит продвинуться дальше в развитии фундаментальной физики, обеспечив углублённый поиск нарушений в свойствах элементарных частиц в рамках современной Стандартной модели. Наука считает свойства частиц неизменными, но это могло быть результатом недостаточно точных измерений. Новые, более совершенные атомные часы помогут это проверить. Также они окажутся полезными для разработки квантовой логики, оценки эффективности квантовых архитектур и во многих других областях физических наук. В конечном итоге они позволят задавать Вселенной правильные вопросы.

Как доказали Эйнштейн и последующие наблюдения, время неотделимо от пространства и гравитации. Часы будут «тикать» с разной скоростью на Земле, Луне и в открытом космосе. Чем легче небесное тело, тем быстрее идут на нём атомные часы — инструмент не только для ориентации людей во времени, но также мерило задержки сигнала и опора для ориентации в пространстве. Для космоса нужен свой подход, что стало поводом для создания особого стандарта времени.

Источник изображения: techspot.com

Проблематикой занялся Национальный институт стандартов и технологий США (NIST). Как известно, под руководством NASA разворачиваются этапы программы Artemis по возвращению человека на Луну, включая создание там баз постоянного присутствия. Атомные часы на естественном спутнике Земли каждые сутки убегают вперёд на 56 мкс. «Лунные» часы можно было бы синхронизировать с атомными часами на Земле — технически это легко достижимо. Однако в NIST посчитали такой подход неоправданным. Будет проще ввести лунную зону времени и использовать её для определения времени и работы систем позиционирования на поверхности и орбитах Луны. При подлёте к Луне достаточно будет один раз перевести часы и забыть о проблеме.

Установление единого лунного времени необходимо, прежде всего, для создания лунного GPS. Это позволит совершать высокоточные посадки с погрешностью в несколько метров. Такая возможность будет особенно важна для освоения южного полюса Луны, где очень сложный рельеф, и благодаря ему в вечной темноте кратеров может оставаться водяной лёд.

В перспективе новый космический стандарт времени может быть использован для работ на Марсе и в открытом космосе, а также глубоко в Солнечной системе. Но пока на повестке дня стоит освоение Луны. В ближайшие два десятка лет там станет достаточно оживлённо, особенно на орбите. Единая система отсчёта времени будет нужна там как воздух, чтобы все станции и спутники были на «одной волне» и не рисковали столкнуться.

Учёные Объединённого института лабораторной астрофизики (JILA, США) построили самые точные на сегодняшний день атомные часы — если запустить их на время, вдвое превышающее текущий возраст Вселенной, они собьются лишь на одну секунду. Это поможет улучшить навигационные сервисы и помочь в исследовании вызванных гравитацией искажений в течении времени на малых расстояниях.

Источник изображения: nist.gov

Принцип работы атомных часов основан на подсчёте колебаний атомов — это крайне предсказуемые события. Например, атомы цезия-133 совершают 9 192 631 770 колебаний в секунду, и с 1967 года это используется для официального определения секунды. Атомные часы на основе этого элемента сбиваются на одну секунду за 300 млн лет.

Учёные JILA построили атомные часы, которые намного точнее. Проект основан на нескольких разработках, которые исследователи создали за последние годы. В приборе используются атомы не цезия, а стронция, которые колеблются 429 трлн раз в секунду; а измерения производятся при помощи не микроволн, а видимого света, волна которого имеет более высокую частоту.

Десятки тысяч атомов стронция заключаются в мягкую «световую решётку», которая помогает значительно повысить точность атомных часов, потому что отсутствуют два источника ошибок: влияние лазерного излучения и столкновения атомов друг с другом. В результате точность прибора составляет 8,1 единицы к 10 квинтиллионам. Другими словами, такие часы дадут сбой на одну секунду, проработав 30 миллиардов лет — это более чем вдвое превосходит текущий возраст Вселенной.

Такая высокая точность поможет, например, улучшить работу систем связи и спутниковой навигации. Она окажется полезной и в физических исследованиях: гравитация способна искажать скорость течения времени, и данный прибор способен отметить эту разницу на расстоянии толщиной с один волос.