Вселенную измерили до секунды

Американские ученые создали сверхточные часы — их точность соответствует определению возраста Вселенной до секунды. Для измерения времени в них используются колебания фотонов, испускаемых при переходе атома из возбужденного состояния в основное. Новый прибор позволит детально исследовать такой феномен, как гравитационное замедление времени.

Фото:

В повседневной жизни точность измерения времени до секунды нам не нужна — в основном люди живут минутами. А для ученых иногда важны даже тысячные доли секунды. Так, например, для того, чтобы исследовать гравитационное замедление времени, нужны сверхточные часы, фиксирующие даже наносекунды. Несколько лет назад физики смогли создать прибор, способный зафиксировать этот феномен.

Совершенно очевидно, что в данном случае речь идет о так называемых атомных часах — устройстве, в котором в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов. Эти приборы нужны не только для теоретических изысканий — например, без них совершенно невозможно определение положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, а также передвижение автомобилей в автоматическом режиме по спутниковой связи (таких как GPS, ГЛОНАСС или Galileo). Да и сам эталон секунды был установлен в 1967 году тоже при помощи атомных часов — этот промежуток времени определяется как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Тем не менее, работа существующих атомных часов все время не устраивает ученых — для решения новых задач нужна все более и более высокая точность. И вот ученые из NIST (Национального института стандартов и технологий США) решили сконструировать сверхточные часы, погрешность измерения времени которыми была бы минимальна. Недавно эти исследователи объявили о том, что им удалось создать устройство, точнее которого люди еще не производили — оно работает 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.

По словам изобретателей, принцип работы данных часов следующий — в качестве эталона для измерения времени в часах используются колебания фотонов, испускаемых при переходе атома из возбужденного состояния в основное. Известно, что разность энергий между этими состояниями (и, соответственно, частота излучения) постоянна для каждого химического элемента. Однако все это выглядит гладко лишь в теории, а вот для того, чтобы воплотить данный метод измерения в реальность, ученым пришлось изрядно помучиться.

Дело в том, что при малейшем движении атома возникает так называемый эффект Доплера (под ним подразумевается изменение частоты и длины волн, регистрируемых приемником, вызванное движением их источника или таковым самого приемника). Соответственно, он может вызвать смещение измеренной частоты излучения. Кроме того, при изменении разницы между энергиями различных состояний атома, и, соответственно, частоты фотона, излучаемого при переходе под действием электрического поля может проявляться эффект Штарка. Он выражается в смещении и расщеплении электронных термов атомов (состояний электронных подсистем, определяющих энергетический уровень) во внешнем электрическом поле, поскольку при нахождении в нем дипольный момент атома приобретает дополнительную энергию, которая и вызывает то самое смещение термов.

Однако ученые смогли обойти эти две коварные ловушки. Так, для того, чтобы зафиксировать атомы в пространстве и минимизировать влияние эффекта Доплера, в часах была использована оптическая решетка. Она представляет собой потенциальные "ячейки" в зоне пересечения стоячих волн, распространяющихся в перпендикулярных направлениях. Ну, а поскольку атомы склонны занимать места в минимумах потенциала, то это позволяет избежать их хаотического перемещения, и, следовательно, появления погрешности, вызванной эффектом Доплера.

Читайте также: Ученые смогли похитить время

А что касается штарковского смещения, то его "нейтрализовали" весьма и весьма оригинально — в устройстве были использованы атомы такого элемента как иттербий (Yb). Известно, что у них происходят так называемые "магические переходы", при которых энергетическая разница между различными состояниями атомов всегда остается одинаковой. Именно эта особенность и позволила нейтрализовать действие эффекта Штарка. Более того, поскольку в оптической решетке можно поместить множество атомов иттербия, исследователи измеряют частоты излучения нескольких из них для того, чтобы увеличить точность работы прибора.

По словам ученых, эти часы смогут помочь физикам в решении достаточно сложных задач. Например, с их помощью можно будет получить более точное представление о гравитационном замедлении времени — устройство сможет зафиксировать его при подъеме или спуске на 1 см. Следует заметить, что прежние модели определяли замедление на расстоянии по вертикали в несколько метров…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"