Новый рекорд устойчивости лазерного луча может помочь ответить на самые большие вопросы физики

Ученые стремятся создать глобальную сеть атомных часов, которая позволит нам, помимо прочего, лучше понять фундаментальные законы физики, исследовать темную материю и более точно ориентироваться на Земле и в космосе.

Однако для достижения максимальной эффективности эти часы должны быть надежно и быстро связаны между собой через слои атмосферы, что далеко не просто. В новом исследовании описывается успешный эксперимент с лазерным лучом, который поддерживался стабильным на расстоянии 2,4 километра (1,5 мили).

Для сравнения, новая связь примерно в 100 раз стабильнее, чем все, что было создано ранее. Она также демонстрирует стабильность, которая примерно в 1000 раз лучше, чем у атомных часов, для контроля которых можно использовать эти лазеры.

"Результат показывает, что технологии стабилизации фазы и амплитуды, представленные в этой работе, могут стать основой для сверхточного сравнения временных масштабов оптических атомных часов в турбулентной атмосфере", - пишут исследователи в опубликованной статье.

Система основана на результатах исследования, проведенного в прошлом году, в котором ученые разработали лазерную связь, способную удерживаться в атмосфере с беспрецедентной стабильностью.

В новом исследовании ученые направили лазерный луч из окна пятого этажа на отражатель, расположенный на расстоянии 1,2 километра (0,74 мили). Затем луч отразился обратно к источнику, чтобы достичь общего расстояния в течение пяти минут.

Используя методы снижения шума, температурный контроль и крошечные регулировки отражателя, команда смогла сохранить стабильность лазера в условиях колебаний воздуха. Атмосферная турбулентность на уровне земли здесь, вероятно, равна турбулентности от земли до спутника (выше в атмосфере воздух более спокойный и менее плотный) в несколько сотен километров.

Хотя точность лазерных измерений оставалась довольно постоянной в течение десятилетия или около того, в последнее время мы наблюдаем некоторые значительные улучшения, включая лазерную установку, работающую в рамках сотрудничества Boulder Atomic Clock Optical Network (BACON) и испытанную в марте прошлого года.

В этой установке использовался импульсный лазер, а не лазер с непрерывной волной, испытанный в этом новом исследовании. Оба лазера имеют свои преимущества в различных сценариях, но лазеры на непрерывных волнах обеспечивают лучшую стабильность и могут передавать больше данных за определенный период времени.

"Обе системы бьют лучшие на сегодняшний день атомные часы, так что здесь мы разделили понятия, но наша конечная точность лучше", - говорит астрофизик Дэвид Гоззард из Университета Западной Австралии.

Когда сеть атомных часов будет создана, ученые смогут проверить общую теорию относительности Эйнштейна и то, как можно устранить ее несовместимость с тем, что мы знаем о квантовой физике.

Очень точно сравнивая время двух атомных часов - одного на Земле и одного в космосе - ученые надеются выяснить, где общая теория относительности работает, а где нет. Если идеи Эйнштейна верны, то часы, находящиеся дальше от земного притяжения, должны тикать чуть быстрее.

Но на этом его полезность не заканчивается. Лазеры, подобные этому, в конечном итоге могут быть использованы для управления запуском объектов на орбиту, для связи между Землей и космосом или для соединения двух точек в пространстве.

"Конечно, вы не можете провести оптоволоконный кабель к спутнику", - говорит Гоззард.

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.