Ученые создали самые точные часы в мире

Мы замечаем погрешность в часах, когда они начинают спешить или отставать на несколько минут. Однако с новыми атомными часами, созданными в Национальном университете Сингапура, такой проблемы не возникнет. Они настолько точны, что потребуется больше 260 миллиардов лет (!), чтобы допустить ошибку всего в одну секунду. Эти часы работают на основе иона лютеция и считаются самыми точными из всех созданных на сегодняшний день. Результаты их разработки опубликованы в журнале Nature.

Как работают атомные часы

Атомные часы измеряют время не с помощью шестеренок, маятника или кварца. Их «тиками» служат переходы электронов между энергетическими состояниями атома, что создает чрезвычайно стабильную частоту. Эта частота используется для настройки лазера, а затем световые колебания становятся эталоном времени.

В новых часах ученые применили ион лютеция-176. Этот элемент оказался удобным для такой задачи: его атомная структура меньше реагирует на изменения температуры и магнитного поля, чем многие другие элементы, которые используют в оптических часах. Благодаря этому внешние условия не так сильно влияют на точность измерений. Система работает при комнатной температуре и использует коммерчески доступные лазеры.

Чтобы проверить точность, ученые сравнили две независимые версии часов, работающие на ионах лютеция. После 200 часов измерений они показали практически одинаковый результат — разница между ними оказалась настолько микроскопической, что ученые смогли проверить точность на уровне 19-го знака после запятой.

По оценке Nature, при заявленной точности новые часы потеряли или приобрели бы одну секунду только за период, значительно превышающий возраст Вселенной.

Зачем нужны часы с такой точностью

На бытовом уровне такая точность, конечно, не нужна. Атомные часы используются в технологиях спутниковой навигации и синхронизации коммуникационных систем. Еще более точные часы позволяют проводить эксперименты, в которых время само становится инструментом измерения.

Например, фиксировать очень небольшие изменения гравитационного поля Земли. Разница в ходе часов, расположенных на разной высоте, связана с эффектом замедления времени, предсказанным общей теорией относительности. По данным исследователей, подобные часы потенциально способны измерять изменения высоты на миллиметровом уровне.

Кроме того, ученые используют сверхточные часы для проверки фундаментальных физических теорий и поиска возможных изменений констант или признаков темной материи. А в будущем подобные разработки могут помочь пересмотреть само определение секунды: международное сообщество уже рассматривает переход от нынешнего стандарта к новому определению на основе оптических атомных часов.

Руководитель проекта Мюррей Барретт говорит, что лютеций может занять важное место в будущем высокоточного измерения времени. Исследователи продолжат улучшать конструкцию и проверять ее в других экспериментах.