Сверхточные атомные часы были созданы исследователями из Колорадского университета в Боулдере во главе с доктором Цзюнь Е (Jun Ye) для Национального института стандартов и технологий (NIST). Они основаны на энергетических переходах в атомах стронция и превосходят существующий “атомный стандарт” по всем ключевым параметрам.

Прототип новых атомных часов на атомах стронция (фото: nist.gov)
Прототип новых атомных часов на атомах стронция (фото: nist.gov).

Спросите несколько человек о том, что такое время, и вы получите множество разных ответов. Большинство будут солидарны только в одном: у них нет времени думать об этом. Между тем в основе всех типов современного взаимодействия людей лежит именно точная синхронизация различных процессов.

Движение междугороднего транспорта и авиаперелёты, банковские транзакции, компьютерные сети, вычисление скорости и определение местоположения всё это и многое другое было бы невозможно без эталона времени.

Наручные кварцевые часы считаются довольно надёжными. Для бытовых целей вполне допустимы отклонения около пятнадцати секунд в месяц, однако инженерам и физикам требуется на порядки более высокая точность.

Первые атомные (точнее, молекулярные) часы были созданы в 1949 году группой Гарольда Лайонса (Harold Lyons). В них колебания кварцевого генератора корректировались по спектральной линии поглощения аммиака.

Директор Национального бюро стандартов доктор Эдвард Кондон (Edward Condon) и доктор Гарольд Лайонс (справа) в 1949 году (фото: nist.gov)
Директор Национального бюро стандартов доктор Эдвард Кондон (Edward Condon) и доктор Гарольд Лайонс (справа) в 1949 году (фото: nist.gov).

Позже, в 1955 году, их заменили более удобными цезиевыми. В системе единиц СИ значение секунды до сих пор привязано к числу периодов ЭМИ при переходе атомов цезия-133 между двумя энергетическими уровнями. Такой выбор был сделан потому, что на этот процесс не влияет большинство внешних воздействий. Иными словами, такие часы практически невозможно “сбить”.

Именно появление “атомного стандарта” сделало возможным создание во второй половине XX века телекоммуникационных сетей, выполнение экспериментов по измерению параметров частиц, развитие ядерной и квантовой физики, осуществление космических полётов и построение систем глобальной навигации.

Новые часы обладают точностью на уровне 6,4×10−18 – то есть они не отстанут и не уйдут вперёд ни на секунду в ближайшие пять миллиардов лет. Предыдущий рекордсмен – швейцарская схема FOCS 1 – гарантировала секундную точность хода в пределах тридцати миллионов лет.

Конечно, нас интересует не отдалённая перспектива в миллионы и миллиарды лет, а меньшие отклонения в краткосрочный период и более высокая точность синхронизации для текущих задач. К тому же для считывания показаний новых часов требуется в разы меньше времени, чем когда бы то ни было.

В последние годы основой для выполнения сверхточных измерений стала возможность управлять квантовыми состояниями отдельных атомов и фотонов. Созданные ранее оптические генераторы тактовых импульсов на базе единичных ионов демонстрировали самую низкую систематическую неопределённость на любой эталонной частоте. Однако генераторы на базе решётки из атомов стронция оказались ещё точнее.

Несколько тысяч охлаждённых до сверхнизких температур атомов стронция в газовой фазе удерживаются лучом лазера. В них возникают изменения энергетического состояния с частотой 430 триллионов раз в секунду. Эти осцилляции служат в качестве эталона точного времени.

Атомы стронция в луче лазера (изображение:  J. Ye, B. J. Bloom et al. / Nature)
Атомы стронция в луче лазера (изображение: J. Ye, B. J. Bloom et al. / Nature).

Притом что созданные часы уже обладают рекордными характеристиками за всю историю, их авторы остались не вполне довольны результатом: «У нас уже есть планы, как сделать их точность и стабильность ещё выше. Можно ожидать новую версию наших часов в течение ближайших пяти–десяти лет».

Результаты многих экспериментов и практических задач сегодня зависят от точности измерения времени. Фатальной может оказаться ошибка в нано- и даже фемтосекунды. К примеру, физикам из CERN потребовалось полгода, чтобы найти ошибку в измерении времени и опровергнуть обнаружение группой OPERA нейтрино, якобы двигавшихся быстрее скорости света в вакууме.