Недавно группа ученых из Национального института стандартов и технологий США побила рекорд стабильности атомных часов. Эти устройства, над которыми работают сейчас во всем мире, помогут установить точные стандарты времени, проверить фундаментальные физические теории и даже, возможно, найти темную материю. Мы поговорили о них с директором Института лазерной физики СО РАН членом-корреспондентом РАН Алексеем Владимировичем Тайченачевым.
«У часов есть две основные метрологические характеристики — стабильность и точность. Во всех учебниках проводят аналогию со стрельбой по мишени: если стрельба кучная, значит, стандарт стабильный, но эта «куча» может бить мимо центра, и тогда она будет неточной. Чисто теоретически, может быть точный стандарт, но нестабильный. А практически, чтобы понять, что у вас есть отклонения от центра, сначала надо добиться хорошей стабильности», — объясняет важность полученного американскими коллегами результата Алексей Владимирович.
Он стал возможным за счет использования схемы с двумя атомными ансамблями. Дело в следующем: в атомных часах атомы в холодном состоянии существуют не непрерывно. Их охлаждают непосредственно перед тем, как опросить лазером (возбудить его импульсами). После того как используют, например, 10000 атомов, их отбрасывают и готовят следующий ансамбль. В промежутке частота лазера может уйти от частоты атомного перехода, и это ухудшает показатели стабильности. Было бы лучше, если бы опрос был непрерывным. Однако в силу специфики технологии лазерного охлаждения это сделать нельзя. Группа из Национального института стандартов и технологий США сделала его квазинеприывным — в их часах есть два ансамбля, пока один опрашивается, в другом подготавливаются атомы. Таким образом удалость практически полностью побороть эффект ухода частоты лазера в момент отсутствия опроса. «По самой своей величине стабильность улучшена немного, но важно то, что время усреднения, за которое она достигается, уменьшено на порядок. Это существенное продвижение», — отмечает Алексей Тайченачев.
Где же будут использоваться такие ультрастабильные часы? «В первую очередь, это проверка тех или иных физических теорий: квантовых электродинамики и хромодинамики, общей и специальной теорий относительности, — объясняет ученый. — В принципе, все они на каком-то уровне проверены. Но когда вы улучшаете точность часов, то выходите на новый уровень. В физике считается, что абсолютных законов нет, все они справедливы до какого-то уровня, а дальше надо понять, где происходят нарушения».
Так, некоторые существующие на сегодняшний день физические теории предполагают, что фундаментальные константы (постоянная Планка, заряд электрона и так далее), кроме скорости света, не являются постоянными во времени, а имеют некоторый дрейф, связанный с расширением Вселенной. Экспериментально этот эффект пока не обнаружен. Чтобы попытаться его «поймать», можно смотреть за излучением далеких объектов, пришедших к нам из прошлого. Их частоты будут отличаться от тех, что существуют в нашу эпоху (за счет изменения постоянной тонкой структуры — меняется она, меняется и частота какого-то перехода в атоме). Другой способ зафиксировать это явление реализуем на вполне «человеческих» масштабах. Для этого необходимо синхронизировать двое ультрастабильных часов различной физической природы (например, одни на ионах, другие — на атомах), и через год посмотреть, насколько они разошлись. Из этого тоже можно делать выводы о том, как варьируется константа. «Пока все подобные эксперименты, которые в лабораторных условиях проводились с часами, дают ответ, что этот дрейф меньше определенной величины. То есть мы его не видим, но знаем его границы. Такая информация тоже важна, особенно для теоретиков, которые разрабатывают соответствующие модели», — говорит Алексей Тайченачев.
Много уже сказано о прикладных приложениях атомных часов — навигации, синхронизации, цифровой связи. Среди них можно выделить и довольно неожиданные. Так, есть следствие общей теории относительности: ход часов зависит от того, какой гравитационный потенциал они чувствуют, и это позволяет измерять высоты с точностью до одного сантиметра. В принципе, существуют классические методы, дающие примерно такую же точность, но время при этом затрачивается совершенно несопоставимое. Допустим, если необходимо померить, насколько различаются высоты в двух точках, разнесенных на 30 км, нужно провести специальные геодезические процедуры, что займет несколько лет. С помощью же атомных часов измерение станет возможным за минуту. Такой сетью можно будет покрыть всю поверхность Земли, и, более того — мониторить изменение гравитационного потенциала во времени (смотреть, как варьируются приливы, фиксировать влияние Солнца и Луны, засекать возможные изменения структуры земной поверхности перед землетрясением). То есть атомные часы могут служить своеобразными квантовыми сенсорами.
Помимо увеличения точности и стабильности атомных часов перед наукой стоит задача сделать их как можно меньше (сейчас они представляют собой громоздкие установки размером с лабораторию). В первую очередь это нужно для проверки точности. «Каждая группа считает, что у нее точные часы. Пока вы их не сведете, не поймете, кто ошибается. А провести удаленное сравнение на том же уровне невозможно. Волоконные линии связи, спутники этого не позволяют — только на один — два порядка хуже. Поэтому единственный способ, который видится в ближайшем будущем — сделать такие же точно часы, но мобильные. Вы их привезли в одно место — сличили с одними часами, в другое — с другими, что позволит вычистить все погрешности, которые могут быть в разных установках (ведь абсолютно одинаковых систем никто, как правило, не делает). Это будет одним из важных шагов к тому, чтобы провести переопределение секунды на новом уровне точности», — говорит исследователь.
Второй важный шаг — космическое базирование ультрастабильных часов с выводом на спутники. Система достаточно сложная, трудно ожидать ее полностью автономной работы в ближайшие годы, поэтому, как предполагается, начнется эта программа с МКС. Но уже там есть особые условия, например, микрогравитация, что дает возможность ставить такие эксперименты, которые на Земле невозможны. «МКС летает по эллиптической орбите, то есть проходит большие разности гравитационного потенциала, что позволяет сделать ряд прецизионных экспериментов по общей и специальной теории относительности в космосе, — комментирует Алексей Тайченачев. — Такие планы по выводу сверхточных часов в космос существуют давно, пока туда отправляют только часы СВЧ-диапазона, без холодных атомов, но в ближайшем будущем, я думаю, развитие пойдет по такому пути».
Если это приобретет массовый характер и на спутниках появится сеть с атомными часами, подобная GPS или ГЛОНАСС, точность навигационных систем будет увеличена потенциально до уровня менее сантиметра. Кроме того, есть еще одна очень экзотическая задача — поиски темной материи. «Пока неизвестно, что это такое, имеются представления, будто она распространяется в виде волн, но при этом не очень понятно, какие они имеют длины, характеристики. Есть такая гипотеза: темная материя влияет на ход часов, и если у нас будет такая глобальная сеть, мы, возможно, увидим прохождение волн через эту систему», — говорит ученый.
В российских исследованиях ульрастабильных атомных часов пока есть некоторое отставание, связанное с тем, что в России позже стали заниматься экспериментальными работами с ультрахолодными атомами. Сейчас ученые стараются восполнить пробел. Работы по созданию сверхстабильных атомных часов оптического диапазона ведутся во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений, Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН, а также в новосибирском Институте лазерной физики СО РАН. В последнем разрабатываются две системы — нейтральные атомы магния и одиночные ионы иттербия. «Наши часы ультрастабильные, иттербиевый вариант потенциально может быть мобильным и иметь космическое базирование», — комментирует исследователь.
Кроме того, в Институте лазерной физики СО РАН ведутся работы по созданию миниатюрных стабильных часов для массового пользования. Над этой же проблемой работают несколько лабораторий в Новосибирском государственном университете. Точность таких механизмов существенно меньше, чем у ультрастабильных часов на ультрахолодных атомах, но зато их можно сделать очень маленькими и автономными, подходящими для работы в портативных устройствах. Серийное производство атомных часов уже налажено в США, они применяются, в частности, американскими военными для навигации, связи, координирования, синхронизации частот передатчика и приемников. Очевидно, что российские военные заинтересованы в производстве отечественных миниатюрных атомных часов. Потенциальный объем рынка этих устройств зависит от их стоимости. «В начале, когда такие атомные часы только разрабатывались, предполагалось, что это устройство можно будет купить всего за несколько долларов, но сейчас оно стоит примерно полторы тысячи. Если при тех же размерах немножко улучшить стабильность и снизить цену до нескольких сотен долларов, то, как говорят специалисты, рынок будет очень большим», — отмечает Алексей Тайченачев.
Портативные атомные часы интересны не только военным. Например, они вполне перспективны для использования в приложениях Smart Grids (интеллектуальные энергетические сети) — то, что синхронизует разные узлы сети, должно работать автономно, обходиться без внешних источников питания. Это несколько другое направление, но оно тоже активно развивается.
Диана Хомякова
Фото из открытых источников
