Что самые точные в мире часы могут рассказать о Земле и космосе

Самые точные в мире часы занимают подвальную лабораторию в Университете Колорадо. За их изобретение китайско-американский ученый Цзюнь Йе вместе с японцем Хидетоши Катори разделит 3 миллиона долларов в качестве соавторов премии за прорыв в фундаментальной физике 2022 года, сообщает phys.org.

this january 25 2017 i
«На этом изображении от 25 января 2017 года, любезно предоставленном доктором Эдом Марти, показаны часы с оптической решеткой из стронция, хранящиеся в лаборатории Джун Йе в Университете Колорадо, Боулдер» — phys.org

Для того чтобы эти часы «потеряли» секунду, потребовалось бы 15 миллиардов лет — примерно столько времени существует Вселенная. Для сравнения, современные атомные часы теряют секунду за 100 миллионов лет.

Работая независимо, двое ученых разработали методы, лазерного улавливания и охлаждения атомов, а затем используют их вибрации для приведения в действие так называемых «оптических решетчатых часов», самых точных хронометражных устройств, когда-либо созданных.

Что дает большая точность?

«Это действительно инструмент, позволяющий вам исследовать основную структуру пространства-времени во Вселенной», — сказал Йе агентству AFP.

В лаборатории исследователи показали, что время движется медленнее, когда часы приближаются к земле на несколько сантиметров, в соответствии с предсказаниями теории относительности Эйнштейна.

Применительно к современным технологиям эти часы могли бы повысить точность GPS-навигации в тысячу раз или помочь плавно посадить беспилотный космический самолет на Марс.

Краткая история измерения точного времени

Повышение точности и точности хронометража было целью с тех пор, как древние египтяне и китайцы изготавливали солнечные часы.

Ключевой прорыв произошел с изобретением часов с маятником в 1656 году, которые опираются на качающийся груз, чтобы следить за временем, а несколько десятилетий спустя хронометры стали достаточно точными, чтобы определять долготу судна в море.

В начале 20-го века появились кварцевые часы, которые при ударе электрическим током резонируют на очень специфических высоких частотах или количестве тактов в секунду. Кварцевые часы широко распространены в современной электронике, но все еще несколько подвержены изменениям, вызванным производственным процессом или такими условиями, как температура.

 

Следующий большой скачок в области хронометража произошел благодаря использованию движений заряженных атомов для разработки атомных часов, которые невосприимчивы к воздействию таких изменений окружающей среды. Физики знают, что одна очень высокая частота приведет к тому, что частицы, называемые электронами, которые вращаются вокруг ядра определенного типа атома, перейдут в состояние с более высокой энергией, найдя орбиту дальше от ядра. Атомные часы генерируют приблизительную частоту, которая заставляет атомы элемента цезия переходить в это более высокое энергетическое состояние. Затем детектор подсчитывает количество этих заряженных атомов, регулируя частоту, если это необходимо, чтобы сделать часы более точными. Эти часы настолько точны, что с 1967 года одна секунда определяется как 9 192 631 770 колебаний атома цезия.

Исследуя Вселенную и Землю

Лаборатории Катори и Йе нашли способы еще больше улучшить атомные часы, переместив колебания в видимый конец электромагнитного спектра с частотами в сто тысяч раз выше, чем те, которые используются в современных атомных часах, — чтобы сделать их еще более точными.

Они поняли, что им нужен способ улавливать атомы — в данном случае элемента стронция — и удерживать их неподвижно при сверхнизких температурах, чтобы помочь правильно измерить время.

Если атомы падают под действием силы тяжести или иным образом движутся, произойдет потеря точности, а теория относительности вызовет искажающие эффекты в хронометражах.

Чтобы захватить атомы, изобретатели создали «оптическую решетку», созданную лазерными волнами, движущимися в противоположных направлениях, чтобы сформировать неподвижную форму, похожую на коробку из-под яиц.

Йе в восторге от потенциального использования своих часов. Например, синхронизация часов лучших обсерваторий мира с точностью до мельчайших долей секунды позволила бы астрономам лучше осмыслить черные дыры.

Более совершенные часы также могут пролить новый свет на геологические процессы Земли.

Теория относительности говорит нам, что время замедляется, когда оно приближается к массивному телу, поэтому достаточно точные часы могли бы рассказать ученым о разнице между твердой породой и вулканической лавой под поверхностью, помогая предсказать извержение. Или реально измерить уровень океанов, или сколько воды течет под пустыней.

Следующей большой проблемой, по словам Йе, будет миниатюризация технологии, чтобы ее можно было перенести из лаборатории. Ученый признает, что иногда бывает трудно объяснить общественности фундаментальные физические концепции. «Но когда они слышат о часах, они могут почувствовать, что это осязаемая вещь, они могут установить связь с этим, и это очень полезно», — сказал он.