Устали от того, что ваши наручные часы теряют время с годами? Новые атомные часы, которые являются самыми точными из когда-либо использовавшихся, используют атомы иттербия и лазеры для точного определения секунды. Изображение через пользователя Flickr Earls37a
Если бы часы на вашем запястье работали медленно на пять минут в течение года, вы, вероятно, ничего бы об этом не подумали. Но ученые и инженеры полагаются на сверхточные атомные часы для широкого спектра применений, и поиски все более точных часов продолжаются в течение тысячелетий.
Теперь группа исследователей во главе с Эндрю Ладлоу из Национального института стандартов и технологий поставила планку выше, чем когда-либо. Их новейшие атомные часы, обнародованные вчера, по прогнозам, станут неточными через 1, 6 секунды после запуска в общей сложности 10 18 секунд, или, другими словами, они теряют одну полную секунду в течение примерно 50, 8 миллиардов лет.,
В статье, описывающей их часы, исследователи предоставили пару аналогий для этого уровня точности: «эквивалентно указанию возраста известной вселенной с точностью менее одной секунды, - писали они, - или диаметра Земли до менее чем ширина атома.
Как и все часы, атомные часы поддерживают согласованное время, основывая продолжительность секунды на физическом событии, которое происходит с регулярностью. В то время как механические часы используют качание маятника для поддержания времени, атомные часы используют механизм, который происходит с еще большей регулярностью: определенная частота света, необходимая для того, чтобы заставить атом колебаться между двумя энергетическими состояниями (в частности, переходить из основного состояния). в возбужденное состояние), который всегда является равномерным значением. Например, текущий международный стандарт, который определяет длительность секунды, составляет 9 192 631 770 циклов количества микроволнового излучения, которое заставляет атомы цезия колебаться между двумя энергетическими состояниями и при этом излучать максимально возможный свет.
Однако некоторые факторы могут исказить даже самые тщательные измерения этой частоты. Исследователи, стоящие за этими новыми часами, создали инновационный дизайн (с использованием другого элемента), который минимизирует эти искажения больше, чем любые другие часы.
Их конструкция, называемая «оптическими решеточными часами», улавливает атомы иттербия в решетчатом ящике с лазерными лучами. Удерживаемые на месте атомы бомбардируются лазером второго типа, который заставляет их электроны подпрыгивать на энергетическом уровне. Датчик проверяет, чтобы убедиться, что все атомы достигли более высокого энергетического уровня, и точная частота света, необходимая для того, чтобы заставить их сделать это, затем преобразуется в точную длину секунды.
Обычно любое небольшое физическое движение атомов, когда они подвергаются бомбардировке, может привести к тонким изменениям частоты света, необходимой для повышения их энергетического уровня (в результате доплеровского сдвига), что снижает точность часов. Но, как описано в MIT Technology Review, где впервые были опубликованы новости о часах, ящик с лазерными лучами «удерживает атомы в тисках, похожих на тиски, которые сводят к минимуму любые доплеровские эффекты». Кроме того, решетка захватывает относительно большое количество атомов (между 1 000 и 1 000 000) по сравнению с большинством атомных часов, поэтому усреднение количества излучения, необходимого для поднятия каждого из них до более высокого энергетического уровня, обеспечивает более точное значение точной частоты излучения, которое затем используется для установки времени.
Сравнивая два таких часа вместе, авторы обнаружили нечто замечательное - каждый «тик» измеряет интервалы времени настолько идеально, что одни часы отстают от истинного времени только на одну десятую секунды, когда наше Солнце окутывает Землю, превращаясь в красный цвет. гигант около 5 миллиардов лет
Эти новые часы - и постепенное усовершенствование атомных часов в целом - могут показаться чисто академическим занятием, но в действительности существует масса очень полезных применений этой технологии. Возьмите, например, приложение «карты» на вашем телефоне. Без возможности точной синхронизации часов на больших расстояниях система GPS не сможет работать, потому что она основана на точном сравнении времени, которое требуется сигналам для перемещения от нескольких различных спутников к вашему устройству с поддержкой GPS.
Будущие исследования, которые могли бы использовать этот новейший прогресс в технологии атомных часов, могли бы войти в науку геодезии, которая стремится точно измерить крошечные изменения в форме Земли и ее гравитационном поле с течением времени. Все часы тикают с бесконечно меньшей скоростью на уровне моря, чем на миле в высоту, потому что сила притяжения сильнее, когда приближается к Земле. В настоящее время с самыми совершенными атомными часами эту разницу в скорости можно измерить только при изменении высоты на тысячи футов, но с новыми часами они будут обнаруживаться, когда часы поднимаются или опускаются на один сантиметр, что делает систему потенциально полезен для измерения незначительных изменений в толщине ледникового льда или возвышении, получаемых горными хребтами с течением времени при столкновении тектонических плит
