Оптические часы на одном ионе лютеция измеряют время с точностью до девятнадцатого знака после запятой. Они способны заметить даже разницу высоты в несколько миллиметров — благодаря тому, что гравитация меняет скорость течения времени.
Физики Национального университета Сингапура создали оптические атомные часы, точность которых почти трудно осмыслить.
Если бы такое устройство могло непрерывно работать более 260 миллиардов лет, накопленная ошибка составила бы примерно одну секунду.
Возраст Вселенной оценивают в 13,8 миллиарда лет.
То есть часы пришлось бы запустить во время Большого взрыва, дождаться сегодняшнего дня — а затем повторить всю историю Вселенной ещё примерно восемнадцать раз.
Только после этого можно было бы начинать спорить, не отстают ли они.
Часы из одного атома
Устройство разработали специалисты Центра квантовых технологий при Национальном университете Сингапура. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
В основе каждых часов находится всего один заряженный атом — ион редкоземельного элемента лютеция-176.
Ион удерживается в электромагнитной ловушке, а лазер настраивается на частоту, при которой электрон внутри атома переходит между двумя энергетическими состояниями. Колебания лазерного света становятся своеобразным маятником — только невероятно быстрым.
Именно поэтому такие часы называют оптическими.
Микроволновые цезиевые часы отсчитывают миллиарды колебаний в секунду. Оптические — сотни триллионов. Чем чаще «тикает» эталон, тем точнее можно делить время.
Сингапурская установка измеряет частоту перехода с неопределённостью около одной десятимиллиардной от миллиардной доли — 10⁻¹⁹. Это самый низкий показатель, когда-либо заявленный для оптических атомных часов, и примерно в четыре раза лучше предыдущего рекорда, установленного часами на ионах кальция.
Одних часов оказалось недостаточно
Есть известная шутка: человек с одними часами знает, который час. Человек с двумя — уже не уверен.
Физики поступили именно так: построили двое независимых часов на лютеции и заставили их проверять друг друга.
Сравнение продолжалось около 200 часов. Устройства совпали до девятнадцатого знака после запятой, что стало самым точным сравнением атомных часов в истории.
Это важная деталь.
Исследователи не ждали 260 миллиардов лет, чтобы проверить результат. Они рассчитали все известные источники погрешности, а затем убедились, что две отдельные установки дают практически одинаковую частоту.
Лютеций оказался особенно удобен потому, что его атомный переход слабо реагирует на изменение температуры и магнитного поля — два фактора, которые обычно мешают работе сверхточных часов.
Часы, способные заметить пять миллиметров
Такая точность создаёт довольно странную проблему: часы начинают чувствовать гравитацию лучше, чем мы умеем описывать её для разных точек Земли.
Согласно общей теории относительности, чем ближе объект находится к массивному телу, тем медленнее для него идёт время. Поэтому часы на полу и часы на столе тикают с немного разной скоростью.
Новые устройства способны зарегистрировать разницу высоты примерно в пять миллиметров.
Чтобы сравнение двух часов не испортилось из-за гравитации, исследователям пришлось измерить высоту находившихся в ловушках ионов с точностью менее миллиметра.
Это уже не просто измерение времени. Фактически часы становятся датчиками пространства.
С их помощью в будущем можно будет наблюдать малейшие изменения гравитационного поля Земли, движение магмы, подземных вод и ледников. Сети оптических часов могут улучшить навигацию, точнее проверить общую теорию относительности, искать изменения фундаментальных физических постоянных и возможные признаки тёмной материи.
Правда, пока рекордсмен занимает лабораторию, а не место на прикроватной тумбочке. Следующий шаг исследователей — уменьшить установку и превратить её в транспортабельную систему.
Придётся заново решить, что такое секунда
Современное определение секунды существует с 1967 года. Она равна времени, за которое происходят ровно 9 192 631 770 колебаний, связанных с определённым переходом в атоме цезия-133.
Цезиевый стандарт позволил создать спутниковую навигацию, синхронизировать телекоммуникационные сети и построить современную систему мирового времени.
Но оптические часы уже примерно на два порядка точнее лучших цезиевых эталонов.
Международное бюро мер и весов готовится к возможному переопределению секунды на основе оптического перехода. Окончательное решение может быть принято не раньше 2030 года — учёным ещё предстоит сравнить разные типы часов, выбрать подходящий атом и убедиться, что новый стандарт можно воспроизводить в лабораториях разных стран.
Лютеций теперь стал одним из серьёзных претендентов.
Получается довольно красиво.
Чтобы точнее понять устройство Вселенной, человечеству сначала приходится ещё раз договориться, что именно оно называет одной секундой.
