Часы, способные измерять интервалы времени с погрешностью лишь одна часть на квинтиллион, созданы в двух экземплярах.

Атомы в узлах оптической решетки

Сверхточное измерение времени необходимо как для технических задач (например, обеспечение работы GPS), так и для фундаментальных исследований, раскрывающих законы существования Вселенной и проверяющих предположения ученых.

Исследователи из NIST (Национального института стандартов и технологий США) представили пару наиболее точных часов из всех, когда либо построенных человечеством. «Близнецы» работают с погрешностью всего 1 часть на 1018, что эквивалентно измерению возраста Вселенной с точностью до секунды или диаметра Земли с точностью до размера одного атома.

В качестве эталона для измерения времени в часах используются колебания фотонов, испускаемых при переходе атома из возбужденного состояния в основное. Разность энергий между этими состояниями (а следовательно, и частота излучения) постоянна для каждого химического элемента. Однако измерение частоты на практике сопряжено с рядом трудностей.

Во‑первых, это эффект Доплера, возникающий при малейшем движении атома и вызывающий смещение измеренной частоты. Во‑вторых, эффект Штарка, проявляющийся в изменении разницы между энергиями различных состояний атома (а значит, и частоты фотона, излучаемого при переходе) под действием электрического поля.

Чтобы зафиксировать атомы в пространстве и минимизировать влияние эффекта Доплера, в часах была использована оптическая решетка — потенциальные «ячейки» в зоне пересечения стоячих волн, распространяющихся в перпендикулярных направлениях. Атомы склонны занимать места в минимумах потенциала, что позволяет избежать их хаотического перемещения.

Но в присутствии электромагнитного излучения, необходимого для создания оптической решетки, неизбежно возникает штарковское смещение. Чтобы оно не оказывало влияние на результаты эксперимента, ученые использовали для измерений атомы иттербия, известного своими «магическими переходами»: энергетическая разница между различными состояниями одинакова, поэтому смещение не оказывает влияния на результат измерений.

Поскольку в оптической решетке можно поместить множество атомов иттербия, исследователи измеряют частоты излучения нескольких из них, чтобы увеличить точность.

Сверхточные часы могут быть использованы при проверке основополагающих физических теорий, например, для измерения гравитационного замедления времени. Созданные ранее модели часов были способны «поймать» этот эффект при смещении точек измерения, расположенных в гравитационном поле Земли, на много метров или даже километров по вертикали. Часы, построенные физиками из NIST, способны зафиксировать замедление времени при подъеме (спуске) на 1 см.

По сообщению MIT Technology Review