Обычные часы на смартфоне или запястье вполне справляются со своей задачей. Но для учёных даже ничтожные погрешности имеют значение. Теперь исследователи из Национального университета Сингапура создали атомные часы, точность которых кажется практически невероятной: за 300 миллиардов лет непрерывной работы они должны ошибиться менее чем на одну секунду.
Новая разработка примерно в четыре раза превосходит предыдущие рекорды точности. Её секрет заключается в использовании необычного химического элемента — лютеция. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature.
«Я уверен, что сейчас у нас самые точные часы в мире. И пока я просто не представляю, как в будущем можно будет превзойти их», — заявил физик Мюррей Барретт, один из авторов исследования.
В отличие от привычных механических или электронных часов, атомные измеряют время с помощью колебаний электромагнитных волн. Их частота связана с переходами электронов между энергетическими уровнями внутри атомов.
Каждый химический элемент обладает собственными строго определёнными частотами таких переходов. Благодаря этому атомы можно использовать в качестве исключительно стабильного эталона времени.
Традиционно для подобных измерений применяли цезий. Однако в последние годы учёные начали экспериментировать с другими элементами, включая стронций. Некоторые из них позволяют использовать более высокие частоты, а значит, получать больше колебаний за одну секунду и измерять время ещё точнее.
Сингапурские исследователи пошли другим путём и сделали ставку на лютеций. Возможность его применения они изучали около десяти лет и пока остаются единственной командой, сумевшей реализовать его потенциал в атомных часах.
Главное преимущество лютеция заключается в необычайной устойчивости к внешним воздействиям.
Атомная структура этого элемента позволяет значительно уменьшить влияние температуры, магнитных полей и движения на энергетические переходы электронов. Именно такие помехи обычно мешают атомным часам достигать максимальной точности.
По словам Барретта, благодаря этим свойствам часы способны сохранять высокую точность в самых разных условиях.
«Часы на основе лютеция оставались бы стабильными даже при перемещении из самого жаркого места на Земле, зарегистрированного в Долине Смерти, в самое холодное место на Антарктическом плато», — объяснил исследователь.
Но как проверить точность устройства, если оно превосходит все существующие аналоги?
Учёные нашли решение: создали вторые такие же атомные часы и сравнили их показания.
Эксперимент продолжался 12 дней, в течение которых исследователи накопили 200 часов измерений. При анализе пришлось даже учитывать поправки, связанные с общей теорией относительности Эйнштейна, поскольку часы находились не совсем в одном и том же месте.
Результат оказался впечатляющим: расхождения между двумя устройствами были настолько малы, что фактически не отличались от нуля.
«Есть шутливая поговорка: человек с одними часами знает, который час, а человек с двумя никогда не уверен», — рассказал физик Кайл Арнольд.
По его словам, смысл эксперимента заключался именно в том, чтобы продемонстрировать воспроизводимость результатов. Ведь проверить точность эталона можно только путём сравнения независимых часов.
Проведённые измерения показали, что неопределённость новых часов составляет менее одной десятимиллиардной миллиардной доли секунды при измерении секундного интервала. Это и соответствует потенциальной ошибке менее секунды за 300 миллиардов лет.
Однако столь невероятная точность нужна учёным вовсе не для того, чтобы люди могли безошибочно определять время.
Сверхточные атомные часы используются в фундаментальных физических исследованиях. Например, с их помощью можно измерять изменения гравитации в разных точках Земли. Даже чрезвычайно небольшие различия, которые невозможно заметить обычными приборами, становятся доступными для изучения.
Теперь перед исследователями стоит новая задача — сделать созданные часы значительно компактнее.
Пока установка занимает целую лабораторию, что серьёзно ограничивает возможности её применения. Если удастся уменьшить размеры оборудования, часы можно будет перевозить и использовать непосредственно в разных точках планеты.
Это откроет возможности для практических исследований, включая наблюдение за подземным движением магмы.
И здесь лютеций снова оказывается особенно удобным. Для работы часов подходят стандартные коммерчески доступные лазеры, не занимающие слишком много места. Кроме того, устройство способно функционировать при комнатной температуре, поэтому ему не нужны громоздкие системы охлаждения.
«Следующий шаг — превратить лабораторные часы в компактную переносную систему», — рассказал физик Майкл Ли.
Таким образом, исследователи не только установили новый рекорд точности измерения времени, но и приблизились к созданию приборов, которые смогут использоваться за пределами специализированных лабораторий.
А пока их разработка остаётся одним из самых впечатляющих примеров того, насколько далеко современная физика продвинулась в измерении времени: потенциальная ошибка менее одной секунды за период, измеряемый сотнями миллиардов лет.
