Ученые изобрели новые часы, которые показывают время гораздо точнее, чем все другие созданные до этого момента устройства.
Часы получились такими точными, что они не будут спешить или отставать более чем на одну секунду на протяжении 14 миллиардов лет – это соответствует возрасту Вселенной. Его скорость тиканья настолько стабильна, что в течение одного дня она колеблется в пределах 0,000000000000000032 процента.
Разумеется, подобный уровень точности не требуется обычным людям, полагающимся на часы лишь для того чтобы своевременно прийти на прием к врачу или назначить встречу своим друзьям.
Однако слежение за временем – это только начало. Эти новые часы настолько точны, что их можно будет использовать для обнаружения темной материи, измерения гравитационных волн, которые разносятся по всей Вселенной, и определения гравитационного поля Земли с беспрецедентной точностью.
Действительно, эти сверхточные часы могут помочь ученым лучше изучить тайны космоса, считают эксперты.
«Оказалось, что если у вас есть все эти сверхточные цифры для проведения измерений, то вы получаете в свои руки микроскоп, которым можно изучить нашу Вселенную», – отметил физик Эндрю Ладлоу из Национального института стандартов и технологий в Боулдере (штат Колорадо). Именно он возглавил работу, приведшую к появлению новых часов, которые были описаны на этой неделе в журнале Nature.
Начиная с 1960-х годов, время измеряется с помощью так называемых атомных часов, которые используют естественные колебания атома цезия в виде маятника. Представьте себе наручные часы, которые тикают чуть более 9 миллиардов раз в секунду.
Ладлоу и его коллеги разработали часы с оптической решеткой, основанные на более быстрых колебаниях атома иттербия. Его атомный маятник качается примерно в 10 000 раз быстрее со скоростью в 500 триллионов раз в секунду.
«Цезий является прекрасной атомной системой, однако мы уже достигли его пределов. Иттербий способен разбить время на гораздо более мелкие промежутки, повышая точность измерения», – добавил Ладлоу.
По словам Ладлоу, оптические решетчатые часы существуют всего 15 лет и все еще находятся на стадии разработки. Ученые продолжают усовершенствовать их, постепенно увеличивая точность с каждой новой корректировкой.
Большинство улучшений в последней итерации обязаны новому теплозащитному экрану, разработанному группой Ладлоу несколько лет назад. Он защищает атомы иттербия от воздействия тепла и электрических полей, которые могут мешать их естественным колебаниям.
«Мы хотим быть уверены в том, что когда измеряем скорость тиканья атомов, то следим за скоростью, данную нам самой Матерью-природой, то есть она не должна быть смещена или изменена из-за воздействий окружающей среды», – добавил ученый.
«Благодаря столь большим колебаниям иттербийские часы позволяют с беспрецедентной точностью обнаруживать сдвиги в гравитационном поле нашей планеты», – указано в статье, опубликованной в Nature.
В общей теории относительности Эйнштейна отмечается, что время течет по-разному в зависимости от того, в какой области гравитационного поля вы находитесь.
Часы, установленные на вершине высокой горы, вдалеке от центра Земли, будут тикать немного быстрее, чем часы, стоящие у основания этой же горы. Это не механическая ошибка – время действительно движется быстрее на вершине этого горного массива.
Большинство часов недостаточно точны, чтобы зафиксировать эту невероятно маленькую разницу. Дело в том, что даже через 10 лет часы, которых отделяет 1000 метров, будут показывать время с отличием всего в одну 31-миллионную долю секунды.
Ученые уже продемонстрировали, что можно измерить различия в гравитационном поле Земли, сравнив скорость тиканья двух оптических решетчатых часов в разных местах. Однако новые часы могут обнаруживать изменения даже на высоте в 1 сантиметр.
Кроме того, его команда является частью международной группы, которая собирается использовать сверхчувствительные часы для обнаружения темной материи – таинственного вещества, объем которого, по мнению исследователей, в пять раз превышает обычную материю.
«О темной материи известно немногое, однако большинство теорий предсказывают, что она взаимодействует с атомами таким образом, что может влиять на скорость тиканья наших часов», – отметил ученый.
Команда также использует часы в экспериментах, связанных с поиском тех же видов гравитационных волн, которые впервые были обнаружены в обсерватории LIGO и подтвердили важный аспект теории Эйнштейна.
Несмотря на невероятную точность новых часов, команда еще не достигла пределов их возможностей. Поэтому работа над ними продолжается.
«Мы достигли невероятной производительности. Однако у нас уже есть идеи о перенастройке некоторых элементов, которые могут привести к повышению точности часов», – добавил Ладлоу.