Поиск
x
Спецпроект «Россия без мусора»
Наука

Новые атомные часы измерили время с рекордной точностью

National Geographic Россия
17 декабря 2020
_-.jpg
Фото: MIT / nature.com
В основе их действия лежит явление квантовой запутанности.

Самые точные атомные часы сегодняшнего дня используют атом цезия и обычное магнитное поле с детекторами. Именно показания цезиевых атомных часов лежат в основе современного определения секунды в международной системе единиц измерения СИ. Она определяется как промежуток времени, в течение которого атом цезия-133 (133Cs) совершает 9 192 631 770 переходов.

Цезиевые часы отклонятся на одну секунду за 138 млн лет. Но даже самые точные часы, в основе которых лежит резонанс атомов, имеют неопределенности, накладываемые законами квантовой механики. Исследователи из Массачусетского технологического института и Белградского университета в Сербии предположили, что квантовая запутанность может подтолкнуть часы за эту размытую границу.

Они провели эксперимент, соединив облако атомов иттербия-171 с потоками фотонов, которые отражаются от зеркал, а затем измерили время их движения.

Результат показал, что подобное запутывание атомов ускоряет процесс измерения времени в часах атомного ядра. Измерения времени становятся более четкими и точными, чем когда-либо. Если бы такие часы существовали со времени Большого взрыва, то к сегодняшнему дню их погрешность составляла бы всего сто миллисекунд.

Как и в других современных часах, основанных на ядрах атомов цезия и тория, в новой конструкции время делится на колебания в ядре иттербия. Это происходит после поглощения определенной энергии света. Тем самым обеспечивается более точный механизм отсчета времени.

Однако по мере повышения точности атомных часов на их работу все сильнее влияет принцип неопределенности Гейзенберга — краеугольный камень квантовой механики. Он гласит, что положение или скорость движения частиц нельзя измерить с одинаково большой точностью. В результате возникает так называемый квантовый шум, ликвидировать который классическими способами невозможно.

Чтобы решить эту проблему, исследователи решили записать частоты одновременно резонирующих нескольких атомов в решетке, состоящей из сотен крошечных атомных маятников. В современных технологиях атомных часов используются лазеры, спроектированные так, чтобы максимально стабильно обеспечивать каждому атому очень похожую частоту света. Комбинируя их коллективное размытие, индивидуальные неопределенности усредняются.

Новый метод идет дальше в этом процессе усреднения. Соединяя атомы вместе таким образом, чтобы запутать квантовые вероятности их спинов, можно перераспределить неопределенность в системе, увеличивая точность в одних частях за счет других.

Взаимодействуя со светом, две сотни атомов иттербия, которые использовались в качестве маятника в часах исследователей, запутываются на квантовом уровне и начинают вести себя как единое целое. В результате они одинаково реагируют на импульсы света, а не случайно меняя свое состояние при столкновении с лучами лазера.

«Свет служит своеобразным связующим звеном между атомами. Первый атом, который видит этот свет, немного меняет его, а измененный свет также меняет второй атом, затем третий, и через множество циклов атомы все вместе узнают друг друга и начинают вести себя одинаково», — Чи Шу, соавтор исследования из Массачусетского технологического института.

Благодаря запутанности была утроена скорость калибровки атомных часов и достигнута рекордно высокая точность измерения. По словам исследователей, даже эта точность может позволить изучить на новом уровне некоторые тонкие влияния, которые Вселенная оказывает на время.

«По мере того как Вселенная стареет, изменяется ли скорость света? Меняется ли заряд электрона? Это то, что вы можете исследовать с помощью более точных атомных часов. Это может даже позволить нам найти точку, в которой общая теория относительности развалится, указывая на новую физику, которая связывает заданную кривизну пространства-времени с неопределенной природой квантовых полей», — говорит ведущий автор исследования Владан Вулетич.

Пока такие атомные часы могут работать в подобном «квантовом режиме» около секунды. Однако этого может быть достаточно для множества сверхточных измерений, в том числе поисков темной материи и проверки фундаментальных законов природы.

Узнайте, как была обнаружена самая древняя и далекая галактика во Вселенной.

рекомендации
Фотоаппарат generic icon

Правила съемок: «National Geographic Россия» тестирует камеру для путешествий

Telegram

У нас есть классный канал в Телеграме – присоединяйтесь!

Instagram

У нас очень красивый Инстаграм – подписывайтесь!