Измерение времени стало беспрецедентно точным с появлением атомных часов. Сегодня мы вступаем в еще более точную эру благодаря оптическим атомным часам. Эти приборы значительно превосходят возможности традиционных конструкций, обещая значительный прогресс в различных областях науки и техники.
Атомные часы: принцип действия и полезные свойства
Атомные часы, появившиеся в 1950-х годах, произвели революцию в измерении времени. В них используются атомы цезия, охлажденные до температуры, близкой к абсолютному нулю. Принцип работы основан на измерении резонансной частоты этих атомов. Практически, когда атом цезия переходит с одного энергетического уровня на другой, он испускает или поглощает электромагнитное излучение на очень точной частоте, которая служит эталоном для колебаний часов. Самые современные атомные часы теряют менее одной секунды за 300 миллионов лет, что достаточно точно для многих применений.
Одно из самых распространенных применений этих устройств — система глобального позиционирования (GPS). На спутниках GPS установлены атомные часы, которые синхронизируют их сигналы, позволяя приемникам на земле с высокой точностью вычислять их местоположение.
Эти устройства также важны для телекоммуникационных сетей, синхронизации финансовых операций и научных исследований, требующих точного измерения времени.
Новый рекорд точности
Несмотря на впечатляющую точность традиционных атомных часов, ученые стремятся достичь еще более высокого уровня. Оптические атомные часы представляют собой новое поколение. Используя оптические решетки, или «световые паутины», они улавливают и измеряют тысячи атомов одновременно.
Одним из заметных достижений является использование 40 000 атомов стронция, охлажденных на доли градуса выше абсолютного нуля. Энергичные переходы этих атомов обеспечивают еще более стабильную основу для измерения времени.
Недавно исследователи достигли поразительной точности: погрешность составляет всего 8,1 части в десятой миллиардной доле миллиарда. Такая точность значительно превосходит показатели обычных атомных часов и открывает новые возможности. Например, оптические структуры могут повысить точность систем GPS в тысячу раз, что изменит навигацию и картографию.
Новое поколение часов также может сыграть ключевую роль в освоении космоса, позволяя осуществлять миссии с недостижимой ранее точностью.
Но ценность этих машин выходит далеко за рамки их практического применения. Их предельная точность позволяет изучать основы физики, в частности, общую относительность Эйнштейна. Оптические атомные часы способны обнаружить малейшие эффекты искривления пространства-времени даже на микроскопических масштабах. Это дает уникальную возможность проверить физические теории с беспрецедентной строгостью.
Подробности исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
