Ученые создали самые точные атомные часы
Экспериментальные атомные часы в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) достигли трех новых рекордов производительности, теперь идут достаточно точно, чтобы не только улучшить хронометраж и навигацию, но и обнаруживать слабые сигналы от гравитации, ранней Вселенной и, возможно, даже темной материи.
Часы включают тысячи атомов иттербия в оптических решетках из лазерных лучей. Атомы вибрируют между двумя энергетическими уровнями. Путем сравнения двух независимых часов, физики NIST достигли рекордного представления в 3 важных измерениях: систематическая неопределенность, стабильность и воспроизводимость.
Систематическая неопределенность показывает, насколько хорошо часы представляют естественные колебания, или частоту, атомов. Исследователи NIST обнаружили, что каждые часы шли со скоростью, соответствующей собственной частоте, в пределах возможной ошибки всего 1,4 части на 1018 — около одной миллиардной миллиардной.
Стабильность: насколько частота часов изменяется в течение заданного интервала времени, измеряется до уровня 3,2 частей в 1019 (или 0,00000000000000000032) в течение дня.
Воспроизводимость: насколько близко двое часов идут на одной и той же частоте, что показано 10 сравнениями пары часов, что дает разницу частот ниже уровня 10-18 (опять же, менее одной миллиардной доли миллиарда).
«Систематическая неопределенность, стабильность и воспроизводимость могут считаться «королевским Флешем» производительности для этих часов», — сказал руководитель проекта Эндрю Ладлоу. «Согласование двух часов на этом беспрецедентном уровне, который мы называем воспроизводимостью, является, пожалуй, самым важным результатом, потому что он по существу требует и обосновывает два других результата.»
«Это особенно важно, потому что продемонстрированная воспроизводимость показывает, что общая ошибка часов падает ниже нашей общей способности учитывать влияние гравитации на время здесь, на Земле. Поэтому, как мы предполагаем, их относительная производительность будет впервые ограничена гравитационными эффектами Земли. «Теория относительности Эйнштейна предсказывает, что тикание атомных часов, то есть частота колебаний атомов, уменьшается — смещается к красному концу электромагнитного спектра, при работе в более сильной гравитации. То есть время на более низких высотах проходит медленнее.
В то время как эти так называемые красные смещения ухудшают хронометраж часов, эта же чувствительность может быть повернута в другую сторону, чтобы изящно измерить гравитацию. Сверхчувствительные часы могут отображать гравитационное искажение пространства-времени более точно, чем когда-либо. Приложения включают релятивистскую геодезию, которая измеряет гравитационную форму Земли, и обнаружение сигналов из ранней Вселенной, таких как гравитационные волны и, возможно, даже пока еще необъяснимую темную материю.
Иттербиевые часы NIST в настоящее время превосходят обычные возможности для измерения геоида, или формы Земли на основе приливных съемок уровня моря. Сравнение показаний таких часов, расположенных далеко друг от друга, например, на разных континентах, могло бы разрешить геодезические измерения в пределах 1 сантиметра, лучше, чем современное измерение в пределах нескольких сантиметров.
Среди улучшений в последних иттербиевых часах NIST было включение тепловой и электрической защиты, которые окружают атомы, чтобы защитить их от влияния электрических полей и позволить исследователям лучше характеризовать и корректировать частотные сдвиги, вызванные тепловым излучением.
Атом иттербия является одним из потенциальных кандидатов для будущего переопределения второй — международной единицы времени — с точки зрения оптических частот. Новые записи часов NIST соответствуют одному из требований международной дорожной карты переопределения, 100-кратному улучшению подтвержденной точности по сравнению с лучшими часами, основанными на текущем стандарте, атоме цезия, который вибрирует на более низких микроволновых частотах.
W. F. McGrew et al. Atomic clock performance enabling geodesy below the centimetre level, Nature (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0738-2