Долгое время человечество стремилось создать точные часы, которые бы помогли решать массу проблем и задач в части упорядочения различных дел и процессов. Создание первых маятниковых часов голландским изобретателем Христианом Гюйгенсом в XVII веке подняло точность средств измерения времени на новый уровень. В дальнейшем появлялись и другие способы измерения, но сегодня вопрос о точности можно считать практически решенным. В частности, атомные часы словно ввели универсальный стандарт для определения времени для всех жителей планеты.
Однако две группы ученых из города Боулдера (США) полагают, что атомные часы в текущем их виде – далеко не предел точности измерения времени. Более того, их усовершенствование позволит измерять прежде невидимые гравитационные волны.
Основной принцип замера
Как ни странно, даже современные часы в определенной степени базируются на идее Гюйгенса об осцилляторе с резонансом. Имеется в виду некий механизм, который совершает однотипные действия и тем самым позволяет замерять равные промежутки времени. В этом качестве может выступать и маятник, и колокольчик, звонящий с определенной тональностью.
В 18-м веке данная идея была улучшена английским изобретателем Джоном Харрисоном. Он пришел к выводу, что высокая частота работы небольшого устройства, в принципе, может сделать работу часов более надежной.
Современный этап развития часов
Сегодня больше всего распространены кварцевые часы в форме миниатюрного музыкального камертона как раз с высокой частотой работы. Концептуально данная модель не меняется уже почти сто лет, если не считать разнообразия дизайнов и отдельных механических улучшений.
Но возникает вопрос относительно сверки часов. Как понять, что при всех достоинствах эти же кварцевые часы показывают точное время? До 1955 года наука для решения этой задачи обращалась к регулярным астрономическим явлениям. Теперь же сверка выполняется с помощью показателей сигналов, излучаемых атомом.
Эпоха атомных часов
Создателем этих часов является Луи Эссен. Устройство работает, измеряя частоту изменений квантового свойства – так называемого спина электронов в атомах цезия. Точность атомного резонансного сигнала настолько высока, что соотношение с кварцевыми часами в параметре отклонения может исчисляться миллиардами. По оценкам ученых, отклонение атомных часов на 1 секунду может быть достигнуто лишь за 100 лет.
Новые возможности измерений
Наряду с частотой и временем можно измерять и другие величины. Тот же переворот спина в некоторых атомах и молекулах даст информацию и о силе действующего магнитного поля.
Но можно ли сделать еще более совершенным измерение времени? Да, причем достигаться новый уровень точности будет по знакомому принципу – за счет наращивания частоты резонанса.
Частота переворота спина атома цезия соответствует микроволнам, но некоторые атомы под воздействием оптического света могут иметь во много раз более высокие показатели частоты.
При этом оптические атомные часы показывают чрезвычайно стабильное время, если, например, сравнивать показания двух устройств в равных условиях. Как полагают исследователи, текущая версия атомных часов может быть заменена на оптический аналог, который будет показывать более точное время. Но для этой замены требуется подтверждение надежности новых часов. В частности, необходимо, чтобы несколько оптических атомных часов показывали одинаковое время, имея при этом разное местоположение с дистанцией друг от друга порядка тысяч километров.
Атомные часы нового поколения
Новейшие исследования показывают, что оптические часы на атомах разного типа могут устанавливаться на больших расстояниях друг от друга и при этом показывать одно и то же время. Ученые сравнивали несколько часов, применяя при этом атомы алюминия, иттербия и стронция. В частности, первые два устройства находились в Национальном институте стандартов и технологий США, а третье, стронциевое, – в Университете Колорадо.
Часы связывались между собой с целью замера показаний лазерным лучом по воздуху, для чего требовалось преодоление расстояния более 1,5 км прямо от здания к зданию. Результат исследования показал, что и в условиях турбулентности воздуха связь была не хуже качества соединения оптического волокна в защищенном подземном канале.
Измерение гравитационного поля
Но для чего вообще могут быть нужны часы с повышенной точностью? Согласно теории относительности, гравитация искажает пространство и время. Причем эти искажения как раз могут фиксироваться атомными часами. Подобные технологии уже применялись с целью определения разницы в гравитационном поле планеты на 1 см в высоту. Более точные часы позволят отследить снижение уровня напряжения земной коры, что даст ценные сведения о возможных извержениях вулканов. В космосе этот же подход благодаря спутникам с оптическими атомными часами позволит точнее измерять гравитационные поля, возникающие при слиянии черных дыр.
