Изображения, созданные искусственным интеллектом История науки показывает, что стремление к максимально точному измерению времени неизменно вело к фундаментальным открытиям. Современный этап этого пути ознаменовался публикацией в журнале Physical Review Letters, где представлены результаты работы с оптическими решетчатыми часами, обладающими рекордной точностью. Это достижение не только открывает перспективу для пересмотра самого определения секунды как базовой единицы времени, но и обещает оказать значительное влияние на развитие как теоретической физики, так и множества прикладных технологий.
Устройство часов нового поколения
Чтобы оценить масштаб прорыва, важно понять принцип работы этих уникальных устройств. В основе исследования лежит система, в которой атомы удерживаются в так называемой одномерной оптической решетке. Эта решетка создается внутри вертикальной вакуумной камеры, выровненной по направлению силы тяжести. Такая конструкция позволяет с высочайшей точностью контролировать положение и квантовые состояния атомов, что является критически важным условием для прецизионных измерений.
Цикл Раби — ключ к точности измерения времени?
Работа часов базируется на методе, известном как спектроскопия Раби. Суть его заключается в том, что атомы переводятся в определенные квантовые состояния, после чего их возбуждают, вызывая переходы на более высокие энергетические уровни. Измеряя долю атомов, совершивших такой переход, можно с невероятной точностью определить частоту. Особое значение в данной работе имеют тактовые переходы, которые обладают минимальной чувствительностью к внешним магнитным полям. Это позволяет значительно снизить уровень помех, искажающих измерения.
Не менее важным аспектом является контроль температуры. Команда исследователей под руководством Александра Эппли оснастила установку специальным температурным зондом с двумя датчиками для мониторинга условий непосредственно в зоне расположения атомов. Поддержание термостабильности — обязательное требование, поскольку даже малейшие температурные флуктуации могут негативно сказаться на точности хода часов.
Преодоление атомных «прыжков»
В исследовании также детально рассматривается технологический аспект, связанный с явлением «осевых синих боковых полос» (BSB). Это явление возникает из-за специфики конструкции оптической решетки. Если представить атомы в виде бусинок, закрепленных в узлах решетки, то иногда эти «бусинки» могут совершать скачки в соседние позиции. Такие перемещения называются переходами Ванье-Старка.
Изучение этих переходов крайне важно для обеспечения стабильности часов. Ученые разработали комплексные математические модели, учитывающие структуру решетки и температурный режим, чтобы понять механизм этих «прыжков». Это позволило им получить полное представление о динамике системы и обеспечить её надежную и точную работу.
Обратите внимание: Ураган Флоренция спровоцировал вторжение полчищ огненных муравьев в США.
Проще говоря, тщательный анализ движения атомов внутри решетки стал залогом высочайшей точности хронометража.Рекордная точность измерений
Наиболее впечатляющим результатом работы стала беспрецедентная точность измерения тактовых переходов. Метод спектроскопии Раби, при котором на атомы воздействуют осциллирующим электромагнитным полем в течение 2,43 секунды, позволил детально зафиксировать их энергетические переходы. Полученные данные затем анализировались с помощью математической модели, соответствующей циклу Раби, для верификации точности.
В итоге, общая систематическая погрешность созданных оптических решетчатых часов составила всего 8,1 × 10⁻¹⁹. Это наименьшая погрешность, когда-либо достигнутая в подобных устройствах, что устанавливает новый стандарт точности измерения времени. Такие показатели открывают двери для исследований в областях физики, где требуются экстремально точные временные метки.
Широкие возможности применения, но впереди длинный туннель...
Потенциальные области применения новых часов огромны. В фундаментальной науке они могут предоставить данные для проверки теорий, описывающих природу времени и пространства, и, возможно, помогут обнаружить новые физические эффекты. На практике столь точный хронометраж способен революционизировать технологии, критически зависящие от времени: от повышения точности систем глобального позиционирования (GPS) и синхронизации телекоммуникационных сетей до новых методов навигации и геодезии.
Однако путь от лабораторного прототипа до повсеместного внедрения непрост. Исследование подчеркивает, насколько важны тщательное планирование экспериментов и постоянное совершенствование методик. Ученым предстоит решить множество инженерных задач, чтобы адаптировать эту сложную технологию к условиям реального мира, где на точность могут влиять множество внешних факторов.
В долгосрочной перспективе это достижение может привести к официальному переопределению секунды в Международной системе единиц (СИ). Если сегодня секунда определяется с помощью цезиевых атомных часов, то оптические решетчатые часы предлагают инструмент на порядки более точный. Это можно сравнить с переходом от измерения длины обычной линейкой к использованию высокоточного лазерного интерферометра.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Стремление к точности измерения времени всегда было движущей силой многочисленных научных прорывов.