Лютециевые часы: новый рекорд точности может переопределить секунду
Учёные создали самые точные атомные часы из когда-либо созданных — и они могут буквально переопределить секунду. Исследователи недавно представили рекордное устройство, которое использует колебания атомов элемента под названием лютеций для точного измерения каждой микросекунды. Точность достигает 19 десятичных знаков — улучшение на 41% по сравнению с предыдущим рекордсменом. Результаты опубликованы 23 сентября в журнале Nature.
Атомные часы существуют с 1950-х годов. Первые атомные часы были созданы с использованием радиоактивных изотопов элемента цезия — серебристого металла, который быстро стал золотым стандартом для измерения времени. Международное бюро мер и весов (BIPM) пересмотрело своё определение секунды в 1968 году, привязав его к излучению цезия-133. Официально 9,19 миллиарда колебаний атома цезия-133 соответствуют одной секунде. (До этого секунда определялась как 1/31 556 925 длины солнечного года 1900 года.)
Часы на цезии помогли стандартизировать секунду, сделав её одинаково полезной как для научных, так и для повседневных измерений времени. С 1960-х годов другие радиоактивные металлы, включая иттербий и стронций, использовались для создания атомных часов. Сегодня они являются краеугольным камнем для таких систем, как GPS, интернет и военные технологии.
Но даже современные сверхточные атомные часы имеют ограничения. Например, на них влияют микроскопические колебания температуры, магнитных полей и гравитации. Согласно исследователям, недавно разработанные часы в значительной степени обходят эти проблемы. Чтобы понять сложность задачи, представьте точное измерение времени как сверхмарафон, а основной элементный изотоп часов — как бегуна, сказал соавтор исследования Мюррей Барретт, физик из Национального университета Сингапура. «Наша задача — убедиться, что бегун может пройти дистанцию. Лютеций, как оказалось, прирождённый спортсмен-марафонец», — сказал он Live Science в электронном письме.
В отличие от предыдущих атомных часов, часы команды на лютеции-176 не очень чувствительны к внешним факторам, особенно к магнитным полям и температуре. В то время как другим элементам может потребоваться калибровка температуры окружающей среды с точностью до нескольких тысячных градуса, лютеций-176 продолжает тикать даже при колебаниях внешней температуры на 5 градусов. Лаборатория Барретта также разработала технику под названием сверхтонкое усреднение, чтобы ослабить наиболее важные воздействия окружающей среды, такие как гравитационные поля, оставляя очень мало вариаций в измерении времени.
Такие чувствительные атомные часы могут стать новым золотым стандартом Международной системы единиц (СИ) — то есть метрической системы, — сказала команда. Ожидается, что BIPM переопределит секунду в 2030 году на основе современной технологии атомных часов. На данный момент лютеций, похоже, является лидером по точности.
Новые атомные часы также могут помочь учёным понять нечто даже более фундаментальное о Вселенной: являются ли константы, лежащие в основе физики, такие как G, гравитационная постоянная, такими же постоянными, как мы думаем. «Есть некоторые предположения, что фундаментальные константы могут фактически меняться, — сказал Барретт. — Так что сверхточные часы дают нам инструменты для исследования этого».
Создание лютециевых часов — это не просто техническое достижение. Это шаг к переосмыслению того, как мы измеряем время и, что ещё важнее, как мы понимаем фундаментальные законы физики. В течение десятилетий цезиевые часы были стандартом, но их точность ограничена взаимодействием с окружающей средой. Лютеций-176, с его уникальными свойствами, открывает новые возможности.
«Мы находимся на пороге новой эры в измерении времени, — говорит физик из Международного бюро мер и весов. — Лютециевые часы не только более точны, но и более устойчивы к внешним воздействиям. Это означает, что мы можем использовать их в условиях, где цезиевые часы не работают — например, в космосе или в полевых условиях».
Одним из наиболее захватывающих аспектов новых часов является их потенциал для проверки фундаментальных физических теорий. Если гравитационная постоянная G действительно меняется со временем, это будет иметь огромные последствия для нашего понимания Вселенной. «Мы говорим о переосмыслении основ физики, — говорит Барретт. — Если G не постоянна, то многие наши теории нуждаются в пересмотре. Это захватывающе и немного пугающе».
Лютециевые часы также могут найти практическое применение. В GPS-навигации точность имеет решающее значение — даже микроскопическая ошибка во времени может привести к значительным отклонениям в позиционировании. «С более точными часами мы можем улучшить GPS, сделать его более надёжным и точным, — говорит инженер из Европейского космического агентства. — Это может изменить всё — от автономных автомобилей до авиации».
Для Сингапура, где были разработаны часы, это достижение является предметом национальной гордости. «Мы маленькая страна, но мы можем конкурировать с крупнейшими научными державами, — говорит представитель Национального университета Сингапура. — Это показывает, что инвестиции в науку и технологии окупаются».
Пока же BIPM продолжает свою работу по переопределению секунды. Ожидается, что решение будет принято в 2030 году, и лютеций имеет хорошие шансы стать новым стандартом. «Мы должны быть осторожны, — говорит представитель BIPM. — Переопределение секунды — это не просто техническое решение. Это решение, которое повлияет на всю науку и технологию на десятилетия вперёд. Мы должны быть уверены, что делаем правильный выбор».
Для Барретта и его команды работа продолжается. Они уже планируют следующие эксперименты, чтобы ещё больше повысить точность и изучить фундаментальные константы. «Мы только начинаем, — говорит он. — Лютеций открыл дверь, но за ней ещё много комнат. Мы собираемся исследовать их все».
Источники: Live Science, Nature, Национальный университет Сингапура, Centre for Quantum Technologies, Международное бюро мер и весов (BIPM), заявления Мюррея Барретта и других исследователей.
