Атомные часы бывают разных сортов. Некоторые из них представляют собой электронику размером с чип, разработанную для военных, но уже имеющуюся в продаже в настоящее время, в то время как более крупные и точные атомные часы отслеживают время на спутниках GPS. Но все атомные часы работают по одному и тому же принципу. Чистые атомы - некоторые часы используют цезий, другие - такие элементы, как рубидий, - имеют определенное количество валентных электронов или электронов во внешней оболочке каждого атома. Когда атомы сталкиваются с определенной частотой электромагнитного излучения (например, волны света или микроволны), валентные электроны переходят между двумя энергетическими состояниями.
В 1960-х годах ученые отказались от измерения времени на основе орбит и вращений небесных тел и начали использовать эти часы на основе принципов квантовой механики. Это может показаться странным способом измерения времени, но продолжительность определенного количества колебаний или «тиков» в волне электромагнитного излучения является официальным методом, с помощью которого ученые определяют второе. В частности, секунда - это длительность 9 192 631 770 колебаний СВЧ-лазера, который приведет к переходу атомов цезия.
Но у нас есть даже лучшие атомные часы, чем те, которые измеряют цезий.
«Если бы наши два иттербиевых часа были запущены в начале Вселенной, в этот момент они не согласились бы друг с другом менее чем за одну секунду», - говорит Уильям МакГрю, физик из Национального института стандартов и технологий (NIST). ), по электронной почте.
Ультраустойчивые атомные часы из иттербиевой решетки NIST. Атомы иттербия генерируются в печи (большой металлический цилиндр слева) и отправляются в вакуумную камеру в центре фотографии для манипуляции и исследования лазерами. Лазерный свет транспортируется к часам пятью волокнами (такими как желтое волокно в нижнем центре фотографии). (Джеймс Буррус / NIST) Иттербиевые часы в NIST, Yb-1 и Yb-2, являются уникальным типом атомных часов, известных как часы с оптической решеткой. По сути, часы используют электромагнитное излучение на оптической частоте, или лазеры, чтобы захватить тысячи атомов иттербия и затем заставить свои внешние электроны перейти между основным энергетическим состоянием и возбужденным энергетическим состоянием. По сравнению с цезием, для перехода иттербия требуется более высокая частота электромагнитного излучения.
Все электромагнитные волны, от радиоволн до гамма-лучей и всего видимого света между ними, представляют собой волны одного типа, состоящие из фотонов - разница в том, что волны с более высокими частотами колеблются быстрее. Микроволны, которые используются для перехода цезия, растягиваются на более длинные волны и более низкие частоты, чем видимый свет. Использование атомов, которые переходят на более высокие частоты, является ключом к созданию лучших часов. В то время как секунда в настоящее время составляет около 9 миллиардов колебаний микроволновой печи, такая же продолжительность времени будет представлена ближе к 500 триллионам колебаний волны видимого света, улучшая способность ученых точно измерять время.
Если измерительный лазер на иттербиевых часах будет установлен точно на нужную частоту, атомы иттербия подпрыгнут до возбужденного энергетического состояния. Это происходит, когда лазер имеет частоту точно 518 295 836 590 863, 6 Гц - число «тиков» в одной секунде.
«Это соответствует длине волны 578 нм, которая выглядит желтой для глаз», - говорит МакГрю.
Новые измерения с использованием Yb-1 и Yb-2, проведенные командой МакГрю в NIST, позволили установить новые рекорды в трех ключевых областях точности измерений, что в некоторых отношениях дает лучшие результаты измерений из когда-либо достигнутых. В частности, часы устанавливают новые рекорды систематической неопределенности, стабильности и воспроизводимости. Новые измерения подробно описаны в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature .
Оптические часы на основе иттербия являются даже более точными в этих аспектах, чем часы с цезиевым фонтаном, которые используются для определения секунды. Иттербиевые часы технически не более точны, чем цезиевые часы, поскольку точность, в частности, заключается в том, насколько близки измерения к официальному определению, и ничто не может быть более точным, чем цезиевые часы, на которых основано определение. Тем не менее, ключевой метрикой здесь является систематическая неопределенность - мера того, насколько близко часы осознают истинное, невозмущенное, естественное колебание атомов иттербия (точная частота, которая заставляет их переходить).
Новые измерения соответствуют собственной частоте с погрешностью 1, 4 части на 10 18, или около одной миллиардной миллиардной доли. Цезиевые часы достигли систематической неопределенности только около одной части в 10 16 . Таким образом, по сравнению с цезиевыми часами, новые измерения иттербия «будут в 100 раз лучше», говорит Эндрю Ладлоу, физик NIST и соавтор статьи.
Проблема с этими типами измерений связана с внешними факторами, которые могут влиять на естественную частоту атомов иттербия - и поскольку это одни из самых чувствительных измерений, когда-либо достигнутых, каждый физический эффект Вселенной является фактором. «Почти все, о чем мы могли произвольно думать сейчас, в конечном итоге оказывает некоторое влияние на частоту колебаний атома», - говорит Ладлоу.
Внешние эффекты, которые сдвигают естественную частоту часов, включают излучение черного тела, гравитацию, электрические поля и небольшие столкновения атомов. «Мы проводим много времени, пытаясь тщательно пройтись и… точно понять все эффекты, которые имеют отношение к путанице частоты тиканья часов - этой частоты перехода - и к тому, чтобы проводить измерения на реальных атомах охарактеризовать их и помочь нам понять, насколько хорошо мы можем реально контролировать и измерять эти эффекты ».
Чтобы уменьшить влияние этих естественных физических факторов, атомы иттербия, которые встречаются в природе в некоторых минералах, сначала нагревают до газообразного состояния. Затем лазерное охлаждение используется для снижения температуры атомов от сотен градусов Кельвина до нескольких тысячных градуса, а затем дополнительно охлаждается до температуры около 10 микрокельвинов или 10 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля. Затем атомы загружаются в вакуумную камеру и теплозащитную среду. Измерительный лазер проходит через атомы и отражается обратно на себя, создавая «решетку», которая захватывает атомы в высокоэнергетических частях стоячей волны света, а не бегущей волны, такой как типичная лазерная указка.
Улучшение «стабильности» и «воспроизводимости» измерений, для которых иттербийские часы также устанавливают новые рекорды, помогает дополнительно учитывать любые внешние силы, влияющие на часы. Стабильность часов - это, по сути, мера того, насколько частота меняется со временем, что было измерено для Yb-1 и Yb-2 в 3, 2 части в 10 19 в течение дня. Воспроизводимость - это мера того, насколько близко эти два часа соответствуют друг другу, и с помощью 10 сравнений было определено, что разность частот между Yb-1 и Yb-2 составляет менее одной миллиардной доли миллиардной.
«Очень важно иметь два часа», - говорит МакГрю. «Неопределенность характеризуется изучением каждой смены, которая может изменить частоту перехода. Однако всегда есть возможность «неизвестных неизвестных», сдвигов, которые еще не поняты. Имея две системы, можно проверить вашу характеристику неопределенности, посмотрев, согласуются ли две независимые системы друг с другом ».
Такая точность измерения времени уже используется учеными, но практическое применение усовершенствованных измерений второго включает достижения в области навигации и связи. Хотя никто не мог знать об этом в то время, ранняя работа с атомными часами в середине 20-го века в конечном итоге позволила бы создать Глобальную систему позиционирования и все отрасли и технологии, которые на нее опираются.
«Я не думаю, что смог бы предсказать полностью, какие приложения через 20 или 50 лет извлекут наибольшую выгоду из этого, но я могу сказать, что, оглядываясь назад в историю, некоторые из самых глубоких воздействий атомных часов сегодня не ожидались, Ладлоу говорит.
Желтые лазеры одного из иттербиевых оптических решеток NIST. (Нейт Филлипс / NIST) Часы иттербия также могут быть использованы в передовых физических исследованиях, таких как моделирование гравитационного поля и возможное обнаружение темной материи или гравитационных волн. По сути, часы настолько чувствительны, что могут быть обнаружены любые помехи из-за изменения гравитации или других физических сил. Если вы расположите несколько иттербиевых часов по всему миру, вы сможете измерить незначительные изменения силы тяжести (которые сильнее как ближе к уровню моря, так и ближе к полюсам), что позволяет ученым измерять форму гравитационного поля Земли с большей точностью, чем когда-либо до. Точно так же может быть обнаружено взаимодействие с частицами темной материи или даже, возможно, гравитационными волнами, воздействующими на два часа, рассеянных далеко друг от друга.
«С научной точки зрения, мы уже сегодня используем эту удивительную точность для некоторых из этих фундаментальных физических исследований - поиска темной материи, поиска вариаций фундаментальных констант, поиска нарушений в некоторых теориях Эйнштейна и других вещах. … Если мы когда-нибудь обнаружим какие-либо нарушения [законов физики] с помощью этих невероятных инструментов измерения, это может сильно изменить игру в нашем понимании вселенной и, следовательно, как наука и технология будут развиваться оттуда дальше ».
В ближайшие 10 лет или около того, возможно, научные учреждения мира по всему миру примут решение переопределить второе, основываясь на оптических часах, а не на цезиевых часах. Такое переопределение, вероятно, неизбежно, потому что оптические лазеры работают на гораздо более высоких частотах, чем микроволны, увеличивая количество тактов часов, содержащихся в секунду. Измерение иттербиевых часов было бы хорошим кандидатом для нового определения, но оптические часы с решеткой, использующие ртуть и стронций, также дали многообещающие результаты, а ионно-оптические часы, которые приостанавливают и переходят из одного атома, представляют еще одну интригующую возможность для нового определения.
Эти измерения атомных явлений становятся все более и более точными, и куда нас приведет наше развивающееся понимание времени, невозможно узнать.
