НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Сигналы точного времени

MIT

Атомные часы, измеряющие время с помощью колебаний атома цезия-133, настолько точны, что понадобится несколько десятков миллионов лет, чтобы они отстали всего на секунду. Группа физиков из США, Китая, Японии и Канады предложила еще более точный подход, использующий явление квантовой запутанности.

В научной статье, опубликованной в журнале Nature, авторы также сообщают, что новые часы выходят на рабочий режим почти в три раза быстрее.

Сверим часы!

Термином «секунда» мы обязаны римлянам: как и шумеры, они делили час на 60 частей, которые назывались pars minuta prima — «часть мелкая первая». Минуты, в свою очередь, делились на 60 pars minuta secunda — «часть мелкая вторая». Тем не менее как самостоятельный временной промежуток секунда стала использоваться еще не скоро. На солнечных часах, как, впрочем, и на первых механических, не были отмечены даже минутные деления. Более того, могло не быть и часовой стрелки! Английское слово clock происходит от латинского clocca, обозначающего, в том числе, и колокол, схожим образом дело обстоит и в других европейских языках. Исследователи связывают это с тем, что первые механические часы не имели привычного нам циферблата, а обозначали начало каждого часа боем колоколов. Первое упоминание о них мы можем найти у Данте в десятой песне «Божественной комедии», написанной между 1313 и 1321 гг:

И как часы, которых бой знакомый
Нас будит в миг, как к утрене встает
Христа невеста звать нас в божьи домы,
Часы, где так устроен ход,
Что звук: динь-динь как звуки струн на лире.

Далее циферблат появляется, но стрелка на нем одна, как, например, на старинных часах собора Санта-Мария дель Фьоре во Флоренции, расписанных Паоло Учелло в 1433 году.

 

Минутная, а иногда и секундная стрелки появляются лишь спустя более ста лет, около 1550 года. В 1583 году молодой Галилео Галилей, наблюдая за колебаниями люстры в Пизанском соборе, заметил, что, хотя размах становится меньше, одно колебание занимает столько же времени. Исследуя движения маятника, ученый обнаружил, что период колебания зависит от длины подвеса. Использовать же это свойство для измерения времени Галилей догадался только в конце жизни, около 1641 года, и не успел довести идею до конца. В 1658 году маятниковые часы переизобретает Ганс Христиан Гюйгенс, их точность хода составляла 5–10 секунд в сутки.

Наибольшей возможной точности при использовании маятниковых часов позволило добиться применение электротехники. В 1921 году английский ученый Шорт предлагает конструкцию часов с двумя маятниками. Первый маятник, свободный, изолирован от всех внешних воздействий — заключен в колбу с разреженной атмосферой и находится при постоянной температуре, второй, рабочий, размещается как можно дальше, чтобы избежать физического воздействия маятников друг на друга. Часы соединяются посредством проводов. Рабочие часы посылают на маятник свободных импульсы возбуждения, не давая затухнуть колебаниям первичного маятника, а тот синхронизирует движение вторичного, обеспечивая точность хода порядка одной секунды в год. Изобретение кварцевых часов позволило увеличить точность до десятых долей секунды. В них вместо маятника под действием электрического тока вследствие пьезоэффекта происходят сжатия-разжатия кристалла кварца. Следующим скачком было изобретение атомных часов.

В 1997 году Международный комитет мер и весов постановил, что это время, за которое атом цезия совершает 9 192 631 770 переходов между своими энергетическими уровнями. Эти уровни чем-то напоминают книжные полки в библиотеке: книга может стоять на той или иной полке, но не может зависнуть между ними. Чтобы переставить книгу повыше, нужно затратить энергию, а вот вниз она может упасть и сама, при этом энергия высвободится. В традиционных атомных часах лазерное излучение заставляет электроны атома цезия перебираться на «более высокую полку», откуда те возвращаются в исходное положение. При этом излишек энергии «сбрасывается» в виде излучения. Если частота лазера подобрана правильно и составляет 9 192 631 770 колебаний в секунду, происходит резонанс — детектор регистрирует максимальное излучение.

Усовершенствовать идеальное

На точность атомных часов влияют два фактора — небольшие колебания частоты лазера (шум Дика) и наличие стандартного квантового предела. Это явление связано с принципом неопределенности Гейзенберга: мы не можем одновременно измерить координату и скорость квантового объекта с одинаковой точностью, потому что сам факт наблюдения сдвигает объект с места. Однако авторы работы смогли решить проблему, используя феномен квантовой запутанности.

Идея была предложена коллективом ученых из МТИ (США) и Белградского университета (Сербия), но воплотить ее удалось только сейчас. Квантовая запутанность — явление, при котором две или более частицы зависят друг от друга: если вы изменили состояние одной, отреагируют все, независимо от того, как далеко они разнесены. Представьте: вы совершили кругосветное путешествие, оставив на столе в каждом номере, где останавливались, карту рубашкой вверх. Вы приезжаете домой, кладете последнюю карту на свой стол, переворачиваете, и если бы карты находились в состоянии квантовой запутанности, в этот самый миг они все развернулись бы лицом вверх!

Ученые поместили около 350 атомов иттербия, частота энергетических переходов в котором еще выше, чем в цезии, в оптическую ловушку между двух зеркал, после чего «запутали» атомы лучом лазера.

«Свет выступает в роли связующего звена между атомами, — поясняет Чи Шу (Chi Shu), один из соавторов. — Первый атом, "увидевший" этот свет, немного его изменит, затем свет, в свою очередь, изменит состояние второго атома, затем третьего, и так, через множество циклов, все атомы узнают друг о друге и будут вести себя одинаково».

После того, как атомы «запутались», их, как и в случае с цезием, с помощью лазера (уже другого) переводят в более высокое энергетическое состояние. Измерив частоту лазера, на которой происходит резонанс, можно получить число переходов между энергетическими уровнями, соответствующее секунде. Исследователи утверждают, что, применяя этот метод, можно можно измерить секунду с точностью до 10-19. Это значит, что часы, «заведенные» в момент рождения Вселенной, к настоящему времени отстали бы меньше, чем на 100 миллисекунд. Эта точность позволит ученым исследовать такие сложные физические объекты, как темную материю и гравитационные волны, а также выяснить, постоянны ли физические законы.

«Меняется ли скорость света по мере того, как Вселенная стареет? Изменится ли заряд электрона? Все это вы можете выяснить с помощью более точных атомных часов», — заключает Владан Вулетич, соавтор исследования.

Редакция

Электронная почта: [email protected]
VK.com Twitter Telegram YouTube Яндекс.Дзен Одноклассники
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2022.