Часы получились такими точными, что они не будут спешить или отставать более чем на одну секунду на протяжении 14 миллиардов лет – это соответствует возрасту Вселенной. Его скорость тиканья настолько стабильна, что в течение одного дня она колеблется в пределах 0,000000000000000032 процента.
Разумеется, подобный уровень точности не требуется обычным людям, полагающимся на часы лишь для того чтобы своевременно прийти на прием к врачу или назначить встречу своим друзьям.
Однако слежение за временем – это только начало. Эти новые часы настолько точны, что их можно будет использовать для обнаружения темной материи, измерения гравитационных волн, которые разносятся по всей Вселенной, и определения гравитационного поля Земли с беспрецедентной точностью.
Действительно, эти сверхточные часы могут помочь ученым лучше изучить тайны космоса, считают эксперты.
«Оказалось, что если у вас есть все эти сверхточные цифры для проведения измерений, то вы получаете в свои руки микроскоп, которым можно изучить нашу Вселенную», – отметил физик Эндрю Ладлоу из Национального института стандартов и технологий в Боулдере (штат Колорадо). Именно он возглавил работу, приведшую к появлению новых часов, которые были описаны на этой неделе в журнале Nature.
Начиная с 1960-х годов, время измеряется с помощью так называемых атомных часов, которые используют естественные колебания атома цезия в виде маятника. Представьте себе наручные часы, которые тикают чуть более 9 миллиардов раз в секунду.
Ладлоу и его коллеги разработали часы с оптической решеткой, основанные на более быстрых колебаниях атома иттербия. Его атомный маятник качается примерно в 10 000 раз быстрее со скоростью в 500 триллионов раз в секунду.
«Цезий является прекрасной атомной системой, однако мы уже достигли его пределов. Иттербий способен разбить время на гораздо более мелкие промежутки, повышая точность измерения», – добавил Ладлоу.
По словам Ладлоу, оптические решетчатые часы существуют всего 15 лет и все еще находятся на стадии разработки. Ученые продолжают усовершенствовать их, постепенно увеличивая точность с каждой новой корректировкой.
Большинство улучшений в последней итерации обязаны новому теплозащитному экрану, разработанному группой Ладлоу несколько лет назад. Он защищает атомы иттербия от воздействия тепла и электрических полей, которые могут мешать их естественным колебаниям.
«Мы хотим быть уверены в том, что когда измеряем скорость тиканья атомов, то следим за скоростью, данную нам самой Матерью-природой, то есть она не должна быть смещена или изменена из-за воздействий окружающей среды», – добавил ученый.
«Благодаря столь большим колебаниям иттербийские часы позволяют с беспрецедентной точностью обнаруживать сдвиги в гравитационном поле нашей планеты», – указано в статье, опубликованной в Nature.
В общей теории относительности Эйнштейна отмечается, что время течет по-разному в зависимости от того, в какой области гравитационного поля вы находитесь.
Часы, установленные на вершине высокой горы, вдалеке от центра Земли, будут тикать немного быстрее, чем часы, стоящие у основания этой же горы. Это не механическая ошибка – время действительно движется быстрее на вершине этого горного массива.
Большинство часов недостаточно точны, чтобы зафиксировать эту невероятно маленькую разницу. Дело в том, что даже через 10 лет часы, которых отделяет 1000 метров, будут показывать время с отличием всего в одну 31-миллионную долю секунды.
Ученые уже продемонстрировали, что можно измерить различия в гравитационном поле Земли, сравнив скорость тиканья двух оптических решетчатых часов в разных местах. Однако новые часы могут обнаруживать изменения даже на высоте в 1 сантиметр.
Кроме того, его команда является частью международной группы, которая собирается использовать сверхчувствительные часы для обнаружения темной материи – таинственного вещества, объем которого, по мнению исследователей, в пять раз превышает обычную материю.
«О темной материи известно немногое, однако большинство теорий предсказывают, что она взаимодействует с атомами таким образом, что может влиять на скорость тиканья наших часов», – отметил ученый.
Команда также использует часы в экспериментах, связанных с поиском тех же видов гравитационных волн, которые впервые были обнаружены в обсерватории LIGO и подтвердили важный аспект теории Эйнштейна.
Несмотря на невероятную точность новых часов, команда еще не достигла пределов их возможностей. Поэтому работа над ними продолжается.
«Мы достигли невероятной производительности. Однако у нас уже есть идеи о перенастройке некоторых элементов, которые могут привести к повышению точности часов», – добавил Ладлоу.