Сверхточные атомные оптические часы могут помочь нам переопределить длину секунды

Определение секунды, самой фундаментальной единицы времени в нашей современной системе измерения, не обновлялось уже более 70 лет (плюс-минус несколько миллиардных долей секунды).

Но в ближайшее десятилетие или около того это может измениться: Сверхточные атомные оптические часы, работающие на основе видимого света, находятся на пути к тому, чтобы установить новое определение секунды.

Эти новые версии атомных часов, по крайней мере, в теории, гораздо точнее, чем золотые цезиевые часы, которые измеряют секунду на основе колебаний атомов цезия под воздействием микроволн.

"Можно считать, что это эквивалентно линейке с отметками через каждый миллиметр, в отличие от палки, которая измеряет всего 1 метр", - сказал Live Science Джеффри Шерман, исследователь из Отдела времени и частоты Национального института стандартов и технологий в Боулдере, штат Колорадо.

В июне Международное бюро мер и весов может опубликовать критерии, необходимые для любого будущего определения секунды, сообщает The New York Times. Пока что ни одни оптические часы не готовы к прайм-тайму. 

Но новое определение может быть официально утверждено уже в 2030 году, сказал Шерман.

Новый тип оптических часов может помочь разоблачить темную материю - невидимое вещество, которое оказывает гравитационное притяжение; или найти остатки Большого взрыва под названием гравитационные волны - пульсации в пространстве-времени, предсказанные теорией относительности Эйнштейна.

Фундаментальная единица измерения

Современный стандарт секунды основан на эксперименте 1957 года с изотопом, или разновидностью, цезия. При импульсном воздействии микроволновой энергии определенной длины волны атомы цезия находятся в наиболее "возбужденном" состоянии и высвобождают наибольшее возможное количество фотонов, или единиц света.

Эта длина волны, названная частотой естественного резонанса цезия, заставляет атомы цезия "тикать" 9 192 631 770 раз каждую секунду.

Это первоначальное определение секунды было привязано к длине дня в 1957 году - а та, в свою очередь, была связана с переменными величинами, такими как вращение Земли и положение других небесных объектов в то время, сообщает The New York Times.

В отличие от них, оптические атомные часы измеряют колебания атомов, которые "тикают" гораздо быстрее, чем атомы цезия, при импульсном воздействии света в видимом диапазоне электромагнитного спектра. Поскольку они могут тикать гораздо быстрее, теоретически они могут определять секунду с гораздо более точным разрешением.

Есть несколько претендентов на то, чтобы вытеснить цезий с позиции царствующего хронометра, включая стронций, иттербий и алюминий. У каждого из них есть свои плюсы и минусы, сказал Шерман.

Чтобы получить такие часы, исследователи должны подвешивать, а затем охлаждать атомы до уровня абсолютного нуля, а затем подавать на них импульсы точно настроенного цвета видимого света, необходимого для максимального возбуждения атомов.

Одна часть системы светит светом на атомы, а другая подсчитывает колебания.

Но некоторые из самых больших трудностей связаны с тем, чтобы убедиться, что лазер излучает именно тот цвет света - скажем, определенный оттенок синего или красного - который необходим, чтобы заставить атомы войти в резонанс, сказал Шерман.

Второй шаг - подсчет колебаний - требует так называемой фемтосекундной лазерной частотной гребенки, которая посылает импульсы света с крошечными интервалами, сказал Шерман.

По словам Шермана, оба элемента представляют собой невероятно сложные инженерные решения и могут сами по себе занять целую лабораторную комнату.

Применение оптических часов

Зачем же ученым нужны все более точные атомные часы для измерения секунды? Это не просто академическое занятие. 

Время не просто марширует под свой собственный барабан; согласно теории относительности Эйнштейна, оно искажается под воздействием массы и гравитации.

В результате на уровне моря, где гравитационное поле Земли сильнее, время может тикать бесконечно медленно, а на вершине Эвереста, где оно еще чуть-чуть слабее. 

Обнаружение этих мельчайших изменений в течении времени может также выявить свидетельства новой физики.

Например, влияние темной материи до сих пор было обнаружено только в далеком танце галактик, кружащих друг вокруг друга, в изгибе света вокруг планет и звезд, а также в остатках света после Большого взрыва.

Но если сгустки темной материи скрываются ближе к дому, то сверхточные часы, фиксирующие крошечное замедление времени, смогут их обнаружить. 

Аналогичным образом, гравитационные волны раскачивают ткань пространства-времени, они сжимают и растягивают время. Некоторые из самых больших гравитационных волн обнаруживает Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория - световая эстафета длиной в несколько тысяч миль, которая измеряет всплески в пространстве-времени, возникающие в результате катаклизмов, таких как столкновения черных дыр.

Но батальон атомных часов в космосе может обнаружить эти эффекты замедления времени для гораздо более медленных гравитационных волн, таких как волны космического микроволнового фона.

"Это так называемые первобытные гравитационные волны, которые могут быть остатками после Большого взрыва", - говорит Шерман.