Группа исследователей из американского Национального института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST), возглавляемая Сарой Кэмпбелл (Sara Campbell), используя в своих интересах особенности и странности квантовой механики, создала новые атомные часы, которые являются самыми точными часами на сегодняшний день. В этих часах используется колебание атомов в трех измерениях, вызванное воздействием света лазера, а сами атомы расположены в упорядоченном трехмерном пространстве ловушки, структура которой напоминает модульный книжный шкаф. Появление новых часов позволит ученым провести некоторые ошеломляющие эксперименты и найти ответы на вопросы, касающиеся некоторых аспектов “работы” Вселенной.
Практически все атомные часы представляют собой группу атомов, цезия-133 обычно, которые колеблются особым образом под воздействием энергии падающего на них излучения. Энергия поглощенного фотона этого излучения переводит электроны атомов часов в более высокоэнергетическое состояние, через непродолжительный, но строго определенный промежуток времени электрон возвращается в исходное состояние, а излишек энергии выделяется в виде фотона излучаемого атомом света. Промежуток времени между поглощением фотона и излучением вторичного фотона как раз и является одним “тиком” атомных часов.
В первых вариантах атомных часов накачка атомов энергией производилась при помощи микроволнового электромагнитного излучения. Сейчас же ученые используют для этих целей лазерный свет видимого диапазона, параметрами которого можно управлять с большей легкостью и который обеспечивает более точный “ход” атомных часов. И, чем больше атомов заключено в ловушке атомных часов, тем более четкие сигналы ловят чувствительные датчики, обеспечивая более высокую точность отсчета промежутков времени.
Кроме этого, в более старых вариантах атомных часов использовались “энергетические” колебания атомов, которые происходили в одном измерении, в одной плоскости и в одном направлении. Но в часах, созданных учеными из NIST, используется более сложный вариант, их датчики регистрируют колебания атомов во всех трех пространственных измерениях, что позволяет увеличить соотношение сигнал/шум. В качестве рабочего тела новых атомных часов выступает разреженный “газ” из атомов стронция, охлажденный до температуры в -273 градуса Цельсия. Плотность этого газа составляет 10 триллионов атомов на кубический сантиметр, для справки, в предыдущем экспериментальном варианте этих часов плотность газа составляла 10 миллиардов атомов на кубический сантиметр.
Достаточно малая плотность атомарного газа обеспечивает крайне малый уровень взаимодействия между отдельными соседними атомами. В результате этого точность хода этих часов определяется числом с 19 знаками после запятой. К сожалению, используемые в часах квантово-механические эффекты могут сохраняться сейчас в стабильном состоянии на протяжении всего 10 секунд, но в течение этих секунд новые атомные часы обеспечивают самую высокую точность отсчета времени.
Несмотря на столь короткий период работы, новые часы могут быть использованы для проведения исследований в таких областях физики, в которые “еще никогда не ступала нога человека”. Вполне возможно, что новые часы позволят ученым обнаружить темную материю, атомы этих часов будут использоваться в качестве датчиков, а их частота вибрации будет меняться всякий раз, когда мимо будет двигаться частица или скопление частиц загадочной темной материи. Кроме этого, атомы новых часов смогут стать детекторами гравитационных волн, заменив собой многокилометровые туннели, через которые проходят лучи лазерного света.
К сожалению, сейчас не имеется ни одного способа проверки точности хода новых атомных часов, ведь ошибка, которую можно будет зарегистрировать любым из доступных методов, может накопиться только за время, сопоставимое со временем существования Вселенной. Единственные проверки были выполнены специалистами из Европейской лаборатории нелинейной спектроскопии (European Laboratory for Non-Linear Spectroscopy), которые подтвердили идентичность отсчитываемых часами промежутков времени.
А ученые из NIST продолжат работать над конструкцией часов, стараясь добиться того, чтобы состояние квантовой системы охлажденного атомарного газа не разваливалось после десяти секунд, а сохранялось на протяжении более длительных промежутков времени.