Все, кто когда‑либо смотрел на часы в ожидании чего‑то важного! Отложите свои дела. То, о чем я расскажу, перевернет ваше представление о времени. Ученые из Университета Торонто совершили прорыв, который позволяет нам не просто измерить время, а услышать идеальную тишину его хода.
Вся история цивилизации — это поиск идеального ритма. Но все наши маятники и кварцевые резонаторы были попытками измерить секунду по колебаниям ветра. В 1967 году мы, казалось, нашли абсолют: эталоном секунды объявили 9 192 631 770 колебаний атома цезия. Но и у этого триумфа был изъян.
Проблема в том, что атомы при комнатной температуре похожи на толпу на стадионе — они находятся в постоянном движении, сталкиваются и создают невообразимый шум. Выделить чистый сигнал из этого хаоса — невероятно сложная задача. Чем выше температура, тем сильнее этот шум, поэтому, чтобы избавиться от него, логично заморозить систему. Учёные из Торонто создали первые в мире криогенные оптические часы на одном-единственном ионе стронция.
В чём же прорыв?
Внутренние колебания стронция соответствуют оптическому диапазону, а не микроволновому, как у цезия. Это означает, что стронцевые часы отсчитывают гораздо больше "тиков" в секунду и, как следствие, могут быть гораздо точнее. Для сравнения, атом цезия за секунду совершает примерно 9 миллиардов колебаний, а атом стронция за то же время — примерно 430 триллионов.
Важно, что это не механические колебания, а внутреннее свойство атома, подобно квантовому паспорту. Электрон в атоме всегда готов совершить прыжок с одного энергетического уровня на другой, при условии, что ему передадут строго определенную порцию энергии — фотон нужной частоты. Такой переход и будет определять колебание. Этот «паспорт» не меняется от температуры, он — константа.
Ключевым прорывом команды стало охлаждение захваченного атома стронция до температуры ниже пяти градусов Кельвина (около -268 °C), что позволило резко сократить тепловое излучение и устранить шум — один из основных источников погрешностей. После заморозки лазерный луч настраивается на колебания стронция, направляя на замороженный атом поток фотонов. Если фотон имеет идеально подходящую частоту, электрон поглощает энергию и перепрыгивает на другой энергетический уровень. На детекторе фиксируется резонанс. Если частота хоть чуть-чуть не совпадает, атом остаётся безразличен. Фотоны пролетают мимо.
Система обратной связи всегда подстраивает частоту лазера, чтобы атом постоянно «подтверждал» резонанс своим безмолвным ответом. Фактически, атом выступает немым дирижером, а лазер — его оркестром.
Результат ошеломляет: новые часы потенциально в 100 раз точнее нынешнего цезиевого эталона. Мы стоим на пороге переопределения самой секунды.
Что изменится?
Что если весь мир перейдет на новый формат времени? Для обычного человека в первое время ничего не изменится. Наши наручные часы не начнут вдруг идти точнее. Но фактически изменится все. Мы получим невидимый, но невероятно прочный и точный фундамент, на котором будет построена технологическая цивилизация будущего.
Навигация (GPS, ГЛОНАСС) будет определять наше местоположение с точностью до сантиметров. Беспилотные автомобили смогут безопасно маневрировать в плотном потоке. Связь станет сверхнадежной, позволяя проводить удаленные операции в реальном времени без малейшей задержки.
Такие часы смогут измерять гравитационное поле Земли с невероятной точностью. Если под горой начнет копиться магма, ее масса немного изменится, а следовательно, изменится и гравитация. Сверхточные часы, разбросанные по планете, смогут уловить эти изменения и предупредить о извержении вулкана за недели, а не за часы. То же самое с движением тектонических плит и землетрясениями.
Помимо этого, с таким точным детектором можно будет проверить законы мироздания. Фундаментальные константы, такие как: скорость света, постоянная Планка — это основа нашей физики. А что, если они непостоянны? Такие часы способны уловить малейшие изменения известных величин. Если они это сделают, все наше представление о Вселенной перевернется. Мы даже сможем «увидеть» темную материю, которая, пролетая сквозь Землю, будет едва заметно влиять на ход времени в этих часах.
Формально секунда пока не изменилась. Мировому научному сообществу предстоит кропотливая работа: проверить, воспроизвести и согласовать эту невероятную точность.
Но факт остается фактом: мы перестали быть просто наблюдателями времени. Мы научились слушать его эталонную частоту в абсолютной тишине. Мы ведем безмолвный диалог с самой материей. И ее ответ, который мы только начали слышать, обещает переписать учебники физики, ведь когда бы секунду не переопределили (на официальном уровне), использовать новые часы для поиска темной материи в лаборатории можно уже сегодня.
Больше интересного читай в моем Telegram канале.
