Часы стали настолько точными, что секунду придется «переизобрести». У ученых новый квест по переопределению секунды

Представьте себе на мгновение: что такое секунда? Тик-так на ваших часах? Доля минуты? Мы живем по секундам, планируем по ним, измеряем ими успехи и неудачи. Кажется, уж что-что, а секунда — величина постоянная, незыблемая. Ан нет. Оказывается, наше современное понимание секунды, основанное на старых добрых цезиевых атомных часах, уже не поспевает за технологиями. Появились новые чемпионы времени — оптические часы, настолько точные, что рядом с ними нынешний эталон выглядит… ну, скажем так, немного неторопливым. И это не просто академический интерес, знаете ли. Это начало тихой революции, которая может изменить наше видение мира.

Почему секунда вдруг стала «не той»?

Давайте начистоту. Нынешнее определение секунды, принятое еще в 1967 году, основано на подсчете колебаний атомов цезия-133. Это было гигантским скачком вперед по сравнению с астрономическими методами! Цезиевые часы невероятно стабильны и надежны. Они — рабочие лошадки глобальной системы времени, основа Всемирного координированного времени (UTC), по которому живет вся планета. Долгие годы все были довольны.

Но наука не стоит на месте. В лабораториях по всему миру зародился новый класс хронометров — оптические атомные часы. В них используются другие атомы (например, стронций, иттербий, алюминий) и лазеры, работающие в оптическом диапазоне частот. А что такое частота? По сути, это количество «тиков» в секунду. У оптических часов эти «тики» происходят в сотни тысяч раз чаще, чем у цезиевых. Представьте себе маятник: чем чаще он качается, тем точнее можно отмерить короткий промежуток времени. Вот и оптические часы позволяют «нарезать» секунду на невообразимо мелкие дольки.

Насколько мелкие? Лучшие образцы могут ошибиться меньше чем на секунду за время, превышающее возраст Вселенной! По сравнению с ними точность в 15-16 знаков после запятой у цезиевых часов кажется почти грубой. И вот тут возникает парадокс: у нас есть инструменты, которые измеряют время настолько лучше существующего эталона, что сам эталон становится тормозом. Пришло время для апгрейда. В 2022 году метрологическое сообщество решило: пора готовиться к новому определению секунды на основе оптических часов. Цель — 2030 год.

Часы в чемодане: Возвращение «Леди Гринвичского времени»?

Казалось бы, чего проще? Есть лучшие часы — берем их за основу. Но не все так просто. Во-первых, оптические часы — это не компактные наручные гаджеты. Это целые лабораторные установки: вакуумные камеры, сложнейшие лазерные системы, криогенное охлаждение, хитроумная электроника… Все это занимает столы, а то и целые комнаты. И оно невероятно капризное.

Во-вторых, и это главное, чтобы установить глобальный стандарт, нужно быть абсолютно уверенным, что лучшие часы в разных лабораториях мира (а их пока меньше сотни) показывают одно и то же время с нужной точностью. Как их сравнить? Передавать сигналы по оптоволокну или через спутники? Пробовали. Оказалось, что помехи и задержки в линиях связи вносят погрешность, которая сводит на нет всю сверхточность самих часов.

И тут ученые пришли к решению, которое кажется немного безумным в XXI веке. Нужно физически привезти одни супер-часы к другим! Помните Рут Белвилл, «Леди Гринвичского времени», которая в начале XX века развозила точное время по Лондону со своим хронометром? Похоже, ее дело живет, только теперь вместо карманных часов — 800-килограммовые установки, а вместо кэба — специально оборудованный трейлер или грузовой отсек самолета.

Поездка с квантовыми «яйцами»

Представьте себе задачу: упаковать установку, где атомы удерживаются в «световой ловушке» — эдаком невидимом контейнере из лазерных лучей, — и провезти ее сотни, а то и тысячи километров, по автобанам, через тоннели, а может, и по воздуху. Малейший толчок, вибрация, перепад температуры — и вся хрупкая система может «рассыпаться». Как говорит один из участников проекта, это все равно что везти нежнейшие яйца в картонке из света, надеясь, что она не помнется. Мурашки по коже, честное слово.

Именно такой вояж предприняли команды из Германии (PTB) и Японии (RIKEN). Немцы погрузили свои стронциевые часы в трейлер и отправили в Национальную физическую лабораторию (NPL) в Лондоне. Японцы, потратив годы на миниатюризацию своей установки, отправили ее самолетом. В Лондоне их ждали местные оптические часы NPL. Затем немецкие и японские часы вместе отправились в Германию, в Брауншвейг, для сверки с еще одним стационарным комплексом PTB. Настоящее роуд-шоу высоких технологий!

Встреча титанов: Что показали замеры?

И каковы же результаты этих беспрецедентных «гастролей»? Во-первых, самое главное: доказано, что транспортабельные оптические часы — это реальность. Их можно перевозить, и они сохраняют свою точность. Измерения, сделанные в Германии и Великобритании, практически совпали. Это огромный шаг вперед.

Во-вторых, сравнение некоторых пар часов показало рекордное в истории согласование — разница была на уровне одной части на квинтиллион (единица с 18 нулями!). Это фантастический результат, подтверждающий потенциал технологии.

Но, как это часто бывает в науке, без сюрпризов не обошлось. Хотя отдельные пары часов «договорились» отлично, при сравнении всей группы из четырех хронометров вылезли небольшие, но статистически значимые расхождения. Откуда они взялись? Неидеальный контроль температуры атомов? Неучтенные взаимодействия с лазерным излучением? Эффекты окружения? Пока неясно. И это, пожалуй, самое интересное. Именно такие необъяснимые пока расхождения — это точки роста, указывающие, где еще нужно копать, чтобы довести технологию до абсолютного совершенства, необходимого для глобального стандарта.

Не только время: Гравитация на кончике лазера

Удивительная точность оптических часов открывает двери и в другие области. Вспомним Эйнштейна и его общую теорию относительности. Одно из ее следствий — гравитационное замедление времени. Проще говоря, чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время. У подножия горы часы идут чуточку медленнее, чем на вершине. Разница ничтожна — для перепада высот в 1 сантиметр это примерно одна квадриллионная доля процента!

Обычным часам такое не уловить. А вот оптическим — вполне по силам. Сравнивая ход двух таких часов на разной высоте, можно измерить эту разницу с поразительной точностью. Это открывает путь к созданию нового поколения инструментов для геодезии — сверхточного измерения высот и гравитационного поля Земли. Представьте сеть таких часов вокруг вулкана или зоны тектонического разлома. Малейшие изменения высоты поверхности, предвещающие извержение или землетрясение, могут быть зафиксированы заранее. Звучит как фантастика? Возможно, но работа в этом направлении уже идет.

Переписывая реальность, тик-так за тиком

Итак, что мы имеем? Эпический квест по переопределению фундаментальной единицы времени. Ученые создали часы, бросающие вызов нашему пониманию секунды, и теперь возят эти хрупкие шедевры инженерной мысли по миру, чтобы убедиться в их надежности и согласованности.

Зачем все это? А затем, что секунда лежит в основе множества других физических величин и измерений — от скорости света до силы электрического тока, от определения массы до калибровки навигационных систем. Уточняя секунду, мы повышаем точность всей физической картины мира. Мы как бы получаем возможность «приблизить» изображение реальности, разглядеть детали, которые раньше были скрыты в тумане погрешностей.

Путь к новому определению секунды к 2030 году еще не пройден. Предстоят новые путешествия часов, новые сравнения, анализ данных, поиск источников расхождений. Но первый, самый сложный шаг сделан. Транспортабельные оптические часы доказали свою жизнеспособность. Тихий бунт против старой секунды набирает обороты. И кто знает, какие еще открытия ждут нас на этом пути к сердцу времени?