Американские физики из Висконсинского университета в Мадисоне отчитались в журнале Nature о выдающемся достижении. Они создали несколько атомных часов, идущих невероятно синхронно. Чтобы набрать разность показаний в одну секунду, им понадобилось бы 300 млрд лет непрерывного хода. Такая синхронизация должна помочь экспериментаторам ловить гравитационные волны, а может быть, и таинственную темную материю.
Не думай о секундах свысока
Народная мудрость гласит, что тот, у кого только одни часы, всегда знает, сколько времени. Обладатель же нескольких часов ни в чем не уверен.
Но сегодня время — это деньги в самом буквальном смысле. Игру на бирже давно ведут не люди, а скоростные компьютеры. Компании не скупятся на прокладку тысячекилометровых оптоволоконных линий, дающих электронным игрокам фору в тысячные доли секунды. Судьба огромных состояний зависит от точного ответа на вопрос, который час.
Впрочем, дело не только в биржевых роботах. Измерение времени с точностью до крошечных долей секунды необходимо для работы спутниковой навигации, современной радиосвязи и многого другого.
Отлаженное тиканье сердца мировой экономики обеспечивают атомные часы. Синхронизируя время с интернетом, ваш компьютер или смартфон обращается к шкале международного атомного времени. Оно вычисляется по показаниям сотен атомных часов, разбросанных по десяткам лабораторий всего мира.
Как тикают атомы
Работа таких устройств основана на фундаментальном свойстве вещества. Электрон в атоме может иметь разную энергию, но не какую угодно. Есть строго определенные разрешенные значения энергии (энергетические уровни, как говорят физики). Электрон может находиться на любом из этих уровней, но не между ними. Удобная аналогия: человек может жить на первом этаже, а может и на восьмом, но никто не живет на первом с половиной или втором с четвертью.
Чтобы подняться на более высокий энергетический уровень, электрон должен поглотить квант электромагнитного излучения (например, света) строго определенной частоты. Спускаясь обратно, он испускает такой же квант.
Остается вспомнить, что такое частота электромагнитной волны. Это количество гребней волны, проходящих через фиксированную точку пространства за одну секунду. Величина, обратная к частоте — период световой волны. Это промежуток времени между прохождениями двух последовательных гребней.
Частота излучения, соответствующего переходу между двумя конкретными энергетическими уровнями, всегда одна и та же. Она настолько стабильна, что период испускаемого атомом излучения — лучший эталон времени. Не случайно официальное определение секунды, утвержденное XIII Генеральной конференцией по мерам и весам еще в 1967 году, звучит так: секунда — время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Это и есть основной принцип работы атомных часов. Мишень из особого вещества (обычно цезия, стронция или другого подобного металла) облучается лазером. Это излучение имеет очень узкий диапазон частот. В этом диапазоне есть и та самая частота, которая заставляет электроны мишени перейти на следующий энергетический уровень. Спустя небольшой промежуток времени электроны возвращаются обратно, испуская волны эталонной частоты и, следовательно, эталонного периода.
Вежливость королей
Теоретически атомные часы могут отмерять промежутки времени, равные периоду электромагнитной волны (наносекунды для радиоволн, фемтосекунды для света) и работать сколь угодно стабильно, никогда не отставая и не спеша. В реальности, конечно, все гораздо сложнее. Атомные часы, работающие при комнатной температуре, достигли предела точности и стабильности в середине 1990-х. Уже тогда они были так стабильны, что им потребовалось бы 6 млн лет, чтобы отстать на одну секунду. Но человечеству и этого было мало, и технологию улучшали, охлаждая мишень почти до абсолютного нуля (благо она может состоять всего лишь из нескольких тысяч атомов). Сегодня атомные часы, используемые, например, в Национальном институте стандартов и технологий США, имеют расстройку в одну секунду за 100 млн лет.
Есть ли смысл улучшать эти цифры, которые и без того выглядят фантастическими? Да. Прежде всего этого хотят физики-экспериментаторы, которым мало всего и всегда, в том числе и нынешних параметров атомных часов. Ведь чем совершеннее экспериментальная техника, тем шире круг явлений, которые можно изучить.
Спутниковая навигация тоже стала бы точнее с более стабильными часами. Можно придумать еще несколько применений, но это наверняка лишь вершина айсберга. Технологии часто раскрывают свой потенциал только в связке с другими технологиями. Скажем, небоскребов не было бы без железобетона, но их не было бы и без лифта и даже без кондиционера. И вряд ли изобретатель кондиционера думал о небоскребах. Поэтому мы, скорее всего, и представить себе не можем, какое место не существующие пока суперчасы займут в технологических пакетах послезавтрашнего дня.
Что же мешает сделать атомные часы еще более совершенными? Основной ограничивающий фактор — качество лазеров.
Нельзя сказать, что в атомных часах используются лучшие лазеры, созданные человечеством. Но лазер класса люкс немедленно аукнется возросшей стоимостью. А между тем даже стандартные атомные часы весьма недешевы. На 2020 год объем рынка этих устройств оценивался в $230 млн, при том, что это продукт в лучшем случае мелкосерийный, чтобы не сказать — штучный. К тому же лазеры с самым узкополосным и стабильным лучом весьма громоздки, и их нельзя использовать, например, на спутниках.
Согласие важнее правды
Физики из Висконсина обошли эту проблему остроумным образом. Они облучали одним и тем же лазером два облака атомов стронция, находящиеся в разных точках экспериментальной камеры. Таким образом они фактически получили два экземпляра атомных часов по цене одного. Ученые использовали лазер среднего по меркам экспериментальной физики качества. Неизбежный шум в лазерном луче несколько нарушал ход часов. Но в обоих облаках стронция эти искажения были одинаковыми, поскольку луч был один и тот же.
Другими словами, часы не были идеальным эталоном времени, но были почти идеально синхронизированы между собой. Повторим уже звучавшую цифру: разность хода в одну секунду они набрали бы за 300 млрд лет. Это на порядки превышает стабильность атомных часов самих по себе. И это мировой рекорд по синхронизации часов, находящихся в разных точках пространства.
В дальнейшем экспериментаторы разделили стронций уже на шесть частей и убедились, что и шестерка атомных часов работает столь же согласованно.
Для чего могут понадобиться часы, которые как бы договорились между собой ошибаться одинаково? Например, для проверки тонких свойств пространства-времени. Некоторые явления, в частности, гравитационные волны должны заставить один из экземпляров часов «нарушать договор», причем заранее предсказанным образом. Не исключено, что таким путем удастся уловить даже частицы таинственной темной материи.
Некоторые эксперименты можно провести уже сейчас. Так, в том же номере журнала Nature опубликована статья другой команды исследователей. Они впервые наблюдали один из эффектов общей теории относительности Эйнштейна (гравитационное красное смещение) на расстояниях в несколько миллиметров. Этот эффект так слаб, что легко наблюдается лишь на астрономических масштабах. Чтобы перейти от килопарсеков к миллиметрам, понадобились атомные часы с первоклассным лазером. Он на несколько порядков лучше использованного физиками из Висконсина. Однако последние рассчитывают в ближайшее время воспроизвести этот опыт, компенсируя недостатки своего лазера «размножением» часов. Наверняка это только начало в новом направлении исследований пространства и времени, которое открывает перед нами эта великолепная технология.