В 2030 году переопределят секунду: как оптические часы переписывают стандарты системы СИ

В 1967 году Международная система единиц (СИ) зафиксировала определение секунды, основанное на частоте сверхтонкого перехода в атоме цезия-133. Это решение обеспечило технологический фундамент для глобальной навигации, телекоммуникаций и синхронизации сетей на полвека вперед. Однако сегодня этот стандарт стал тормозом для дальнейшего прогресса. Погрешность лучших цезиевых фонтанов составляет около 10⁻¹⁶, и это базовый предел, обусловленный их рабочей частотой в микроволновом диапазоне (9,19 ГГц).

Современная метрология переходит к оптическим атомным часам. Используя переходы в оптическом диапазоне (сотни терагерц), эти устройства демонстрируют фракционную нестабильность на уровне 10⁻¹⁸. Это означает, что ошибка в одну секунду накапливается за время, превышающее возраст Вселенной. Столь радикальное повышение точности требует пересмотра самого определения времени и открывает новые прикладные направления — от релятивистской геодезии до поиска темной материи.

Принципы работы и фундаментальные преимущества

Любой стандарт частоты состоит из осциллятора (генератора колебаний) и референса (эталона), который корректирует этот осциллятор. В оптических часах роль осциллятора выполняет лазер, а референсом служат узкие спектральные линии поглощения в атомах или ионах.

Преимущество оптических часов перед микроволновыми вытекает из формулы добротности резонатора (Q = f / Δf). Рабочая частота (f) оптических часов примерно в 100 000 раз выше, чем у цезиевых. При неизменной ширине линии перехода (Δf) это автоматически повышает разрешающую способность системы на пять порядков.

Однако реализация этого преимущества на практике требует решения сложнейших инженерных задач: атомы необходимо изолировать от внешней среды, охладить до температур, близких к абсолютному нулю, и удерживать в вакууме, чтобы исключить тепловое движение и столкновения, сбивающие фазу колебаний.

Две архитектуры: ионы и нейтральные атомы

На сегодняшний день конкурируют два основных подхода к созданию оптических часов. Каждый из них имеет свои сильные стороны и специфические источники погрешностей.

1. Часы на одиночных ионах

В этой конфигурации используется один заряженный атом (например, иттербий-171, алюминий-27 или ртуть-199), удерживаемый в электромагнитной ловушке Паули.

• Механика: ион охлаждается лазером до состояния покоя. Поскольку частица всего одна и она находится в центре ловушки, где электрические поля минимальны, она практически идеально изолирована от внешних возмущений. Это обеспечивает высокую точность — соответствие частоты часов истинному значению атомного перехода.
• Проблема: главный недостаток — низкое соотношение сигнал/шум. Опрос одного иона дает бинарный результат (переход произошел или нет). Чтобы набрать статистику и получить стабильное значение частоты, требуется длительное время усреднения. Это ограничение называется пределом квантового проекционного шума.

2. Часы на оптической решетке

Второй подход использует ансамбль из тысяч нейтральных атомов (обычно стронций-87 или иттербий-171), захваченных в оптическую решетку — периодический потенциал, создаваемый интерференцией лазерных лучей.

• Механика: главная сложность заключалась в том, что мощное поле лазера, удерживающего атомы, искажает их энергетические уровни (эффект Штарка), сдвигая частоту перехода. Решением стала концепция «магической длины волны». Это специально подобранная частота лазера ловушки, при которой сдвиги основного и возбужденного уровней атома абсолютно одинаковы. В результате частота перехода между уровнями остается неизменной, несмотря на наличие сильного удерживающего поля.
• Преимущество: одновременный опрос 10³-10⁴ атомов позволяет снизить квантовый шум пропорционально квадратному корню из числа частиц. Это обеспечивает высочайшую стабильность за короткое время.

Технические ограничения: эффект Дика и проблема счета

Для работы оптических часов необходим механизм перевода оптических частот (400-1000 ТГц) в радиодиапазон, с которым работает электроника. Эту задачу решает фемтосекундная частотная гребенка — лазер, генерирующий сверхкороткие импульсы с жестко фиксированным интервалом между модами спектра. Гребенка работает как когерентный редуктор, позволяя точно измерять оптические частоты относительно радиочастотных эталонов или сравнивать разные оптические часы между собой.

Главным техническим фактором, ограничивающим стабильность часов на оптической решетке, является эффект Дика. Работа часов происходит циклично: фаза охлаждения и захвата атомов сменяется фазой спектроскопии (опроса). Во время подготовки атомов («мертвое время») лазер-осциллятор работает без обратной связи. Высокочастотный шум лазера в эти моменты не фиксируется, но влияет на итоговый результат при усреднении. Для борьбы с эффектом Дика разрабатываются лазеры с экстремально высокой кратковременной стабильностью (с использованием кремниевых криогенных резонаторов) или применяются схемы с двумя атомными ансамблями, опрашиваемыми поочередно.

Релятивистская геодезия: когда время становится гравитацией

При достижении точности 10⁻¹⁸ метрология вторгается в область эффектов Общей теории относительности (ОТО). Согласно ОТО, ход времени зависит от гравитационного потенциала: часы, находящиеся ближе к массе (земле), идут медленнее, чем часы на высоте. Этот эффект называется гравитационным красным смещением.

Для цезиевых часов этот эффект был незначительным. Но для оптических часов изменение высоты всего на 1 сантиметр приводит к измеримому сдвигу частоты. Это создает фундаментальную проблему для синхронизации времени: невозможно корректно сравнивать часы в разных точках планеты без точного знания формы геоида (эквипотенциальной поверхности гравитационного поля Земли).

Однако проблема превращается в инструмент. Оптические часы можно использовать как квантовые сенсоры гравитационного потенциала. Сети таких часов, соединенные оптоволоконными линиями с фазовой компенсацией, позволяют выполнять хронометрическое нивелирование — измерение разности высот и плотности пород под землей с высокой точностью. Это открывает перспективы для геофизики: мониторинг вулканической активности, движения тектонических плит и изменения уровня мирового океана в реальном времени.

Ядерные часы: следующий рубеж

Пока метрологи готовят почву для переопределения секунды на основе электронных переходов, физики уже работают над следующим поколением стандартов — ядерными часами.

В отличие от атомных часов, где возбуждаются электроны на орбитах, ядерные часы используют квантовый переход внутри атомного ядра. Единственным известным кандидатом для этого является изотоп тория-229 (Th-229), обладающий уникально низкой энергией возбуждения изомерного состояния (около 8,4 эВ), что делает его доступным для лазерной спектроскопии.

Ядро атома экранировано электронными оболочками, что делает его практически нечувствительным к внешним электрическим и магнитным полям. Это обещает еще более высокую точность и стабильность. В 2024 году произошел прорыв: впервые удалось напрямую возбудить этот переход лазером и измерить его частоту с помощью частотной гребенки. Ядерные часы могут стать идеальным инструментом для проверки фундаментальной физики — например, для поиска дрейфа постоянной тонкой структуры (α) или взаимодействия с темной материей.

Дорожная карта переопределения секунды

Международный комитет мер и весов (CIPM) разработал дорожную карту по введению нового определения секунды, которое ожидается к 2030 году. Для этого необходимо выполнить ряд критериев:

1. Несколько независимых лабораторий должны продемонстрировать оптические часы с неопределенностью лучше 10⁻¹⁸.
2. Результаты должны быть подтверждены путем сравнения часов (как локально, так и дистанционно через спутниковые каналы или оптоволокно).
3. Необходимо достичь консенсуса по выбору конкретного атома или метода (возможно использование ансамбля разных переходов) для нового стандарта.

Переход на оптический стандарт — это не просто улучшение хронометража. Это интеграция времени, гравитации и квантовой физики в единую измерительную систему, где часы перестают быть просто счетчиком времени и становятся инструментом исследования фундаментальной структуры Вселенной.

Источник:Optica