Гонка за временем. Ученые дадут новое определение секунды

МОСКВА, 25 ноя — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. До сих пор эталоном времени служили цезиевые часы, созданные в середине прошлого века. Сейчас появились оптические атомные часы нового поколения. Их усовершенствованием занимаются в физических лабораториях разных стран. Российские ученые тоже в этом участвуют. О том, какие у них есть наработки, — в материале РИА Новости.

Природный эталон

Сутки делят на 24 часа, час — на 60 минут, минуту — на 60 секунд с глубокой древности. До ХХ века секунда равнялась одному качанию маятника часов.

Новые средства коммуникации, связь со спутниками и космическими кораблями, сложнейшие научные эксперименты требовали куда больше точности. В 1955-м британский физик Луис Эссен продемонстрировал, что атомные процессы отличаются сверхстабильной периодичностью. Атом состоит из отрицательно заряженных электронов, которые с постоянной частотой вращаются вокруг положительно заряженного ядра. При воздействии на атом переменного электромагнитного поля электроны вибрируют.

© Public Domain/National Physical Laboratory

Луис Эссен и Дж. Парри рядом с первыми в мире цезиевыми атомными часами, разработанными в Национальной физической лаборатории Великобритании в 1955 году

Эти колебания можно отслеживать и сверять по ним секунды. В качестве эталона для атомных часов выбрали цезий, с которым экспериментировал Эссен.

В 1967-м на XIII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) дали такое определение секунды: это время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего частотному переходу 9,2 гигагерца между двумя уровнями основного состояния атома цезия-133.

Точность первых атомных цезиевых часов достигала 10^-10. У модели последнего поколения NIST-F2 с лазерным охлаждением, функционирующей с апреля 2014-го в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), — 10^-16. То есть погрешность в одну секунду накапливается за 300 миллионов лет.

© Инфографика

Новый стандарт времени

Кроме того, в разных лабораториях мира создали прототипы атомных часов с частотой перехода в оптическом диапазоне. Точность — минимум на два порядка выше.

Поэтому на XXVII Генеральной конференции по мерам и весам, недавно завершившейся во Франции, решили к 2030 году разработать новое определение секунды. И приняли дорожную карту, по которой к следующему заседанию ГКМВ в 2026-м надо подготовить соответствующие предложения.

В России центр стандартов времени и частоты — Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Атомными часами занимаются в Физическом институте имени П. Н. Лебедева (ФИАН) РАН и Институте лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ.

"Прогресс в увеличении точности для атомов цезия фактически исчерпан, — отмечает главный научный сотрудник отдела перспективных исследований и измерений времени и частоты ВНИИФТРИ Виталий Пальчиков. — Это объясняется не ограничениями измерительных возможностей для определения частоты перехода, а объективными физическими причинами, связанными с радиочастотным диапазоном".

Основное требование ГКМВ — точность не ниже 5 х 10^-18. Еще одно условие — выполнить замеры, повторить и верифицировать в двух лабораториях. То есть, помимо собственно атомных часов, нужны инструменты сличения стандартов частоты в оптическом диапазоне.

Причем лаборатории могут находиться на значительном расстоянии друг от друга, в том числе на разных континентах, и в измерениях необходимо учитывать поправку на различие гравитационного потенциала. Для этого требуются сверхточные гравиметры, над которыми работают ученые из ВНИИФТРИ.

По оценкам консультативного комитета по времени и частоте Международного бюро мер и весов (BIPM) во Франции, исследования в конкурирующих научных коллективах разных стран завершены примерно на 30 процентов.

CC0 / National Institute of Standards and Technology /

Ученые Национального института стандартов и технологий США (NIST) рядом с цезиевыми атомными часами последнего поколения NIST-F2

Ядерный переход

В большинстве лабораторий рассматривают часы на основе атомов стронция или иттербия, способных излучать или поглощать фотоны в видимой части спектра. Еще работают с рубидием, алюминием, ртутью. В ФИАН, например, занимаются тулием.

Вместе с тем российские физики изучают принципиально другую схему — ядерные часы. Там переходы не электронов, а изомеров — метастабильных состояний ядра, в которых один или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают более высокие или низкие энергетические уровни. Конкретно — экспериментируют с низкоэнергетическим изомерным переходом в ядре тория-229.

"Когда электрон перескакивает на уровень с меньшей энергией, излучается фотон — свет, который мы видим, — объясняет профессор НИЯУ МИФИ и главный научный сотрудник ФИАН Евгений Ткаля. — В ядре тория-229 — то же самое. Только переход коллективный — протонов и нейтронов. Главный вопрос — определить точное значение энергии перехода".

Подобные исследования проводят в США, Европе и Австралии, но российские физики продвинулись дальше всех. Да и сама эта идея возникла в России. В 1976-м гамма-спектроскопия впервые показала, что есть изомер торий-229m с очень низкой энергией возбуждения, ядро представляет собой дуплет энергетических уровней, разнесенных лишь на несколько электронвольт. Это самый низкоэнергетический ядерный переход из всех известных.

Чтобы возбудить атом, нужно подобрать частоту световой волны, соответствующую энергии перехода. А у тория-229 она настолько низкая, что возможно прямое лазерное возбуждение. Ожидается, что ядерные часы будут на порядок точнее, чем лучшие современные оптические атомные часы, и приблизятся к уровню 10^-19. При таком показателе погрешность в одну секунду накопится за 30 миллиардов лет, что значительно превышает возраст Вселенной.

CC0 / National Institute of Standards and Technology /

Экспериментальные оптические атомные часы JILA на атомах стронция

Пределы совершенства

Столь высокая точность нужна для определения положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, беспилотных автомобилей. Атомные часы используются в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в базовых станциях мобильной связи, а также международными и национальными бюро стандартов и службами, которые транслируют сигналы точного времени.

В частности, Международное бюро мер и весов, ежедневно сверяя через спутниковую связь атомные часы по всей планете, рассчитывает Всемирное координированное время (UTC) для глобальной навигации, спутниковой связи, служб синхронизации информационных сетей и всех гражданских приложений с геолокацией.

В сверхточных оптических часах заинтересованы такие российские организации, как ГЛОНАСС, Единая система координатно-временного обеспечения России, предприятия "Роскосмоса".

Но прежде всего новый стандарт нужен для более точного измерения частоты — величины, обратной времени. Каждый переход — например, с наносекундного (10^-9) на пикосекундный (10^-12), а затем и на фемтосекундный (10^-15) — это другой технологический уровень. Уже сейчас существуют приборы, способные работать на частотах, обратных аттосекунде (10^-18). Их ждут гравиметристы, геодезисты, геофизики, геологи, океанологи и другие ученые. Но универсального стандарта времени для калибровки пока нет.

"Например, для измерения гравитационных сдвигов нужны часы, определяющие время и частоту с относительной точностью до 17-18-го знака, — говорит доцент НИЯУ МИФИ Петр Борисюк. — Стандарт в 10^-16 этого не обеспечивает. Его повышение откроет новый этап технологического развития, даст импульс созданию следующего поколения приборов — квантовых гравиметров, детекторов электромагнитных полей, улучшит работу ГЛОНАСС и GPS, позволит создать более совершенные системы удаленного поиска полезных ископаемых и так далее".

О научной значимости этого направления говорит то, что в 1997-м за создание методов охлаждения и удержания атомов с помощью лазерного света, который на два порядка поднял точность атомных часов, присудили Нобелевскую премию по физике. Еще три — в 2001-м, 2005-м и 2012-м — дали за открытия, имеющие прямое отношение к разработке и развитию технологии атомных часов.