Новый эталон времени: ученые на пороге переопределения секунды

В погоне за невероятной точностью измерения времени, ученые из шести европейских стран объединили усилия, чтобы одновременно сравнить десять сверхточных оптических часов. Подобный масштабный эксперимент проводится впервые! Эти часы, использующие лазеры для измерения переходов атомов между энергетическими уровнями, значительно превосходят традиционные цезиевые атомные часы. Настолько, что оптические часы могут ошибаться менее чем на секунду за миллиарды лет.

Чтобы оценить согласованность работы этих "хранителей времени", команда провела 38 измерений, известных как частотные отношения. Четыре из этих измерений были выполнены впервые, а многие другие – с беспрецедентной точностью. Этот эксперимент приближает нас к моменту, когда мир пересмотрит определение секунды, возможно, перейдя от цезиевых часов к оптическим.

Хелен Марголис из Национальной физической лаборатории Великобритании подчеркивает: "Точные сигналы времени и частоты, обеспечиваемые атомными часами, критически важны для множества повседневных технологий, таких как GPS, управление энергосистемами и синхронизация финансовых транзакций".

Как соединить часы, разделенные расстоянием?

Объединение этих часов, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, оказалось непростой задачей. Ученые применили два метода связи: сигналы GPS со спутников и специализированные оптоволоконные кабели. GPS был доступен для всех часов, но его точность оставляла желать лучшего из-за помех и проблем с сигналом. Оптоволоконные линии связи, проложенные во Франции, Германии и Италии, обеспечили в 100 раз более высокую точность, но действовали лишь на коротких дистанциях. В лабораториях, где часы находились рядом (например, в Германии и Великобритании), короткие оптоволоконные кабели помогли еще больше повысить точность.

Результаты этого масштабного исследования были опубликованы в журнале Optica, посвященном оптической науке. Команда также проанализировала, как различные частотные отношения соотносятся в разных системах, чтобы выявить любые расхождения или закономерности.

В чем важность этого исследования?

"Эти измерения предоставляют важную информацию о том, какая работа еще необходима, чтобы оптические часы достигли той точности и надежности, которые необходимы для использования в международном хронометраже", – отмечает Марко Пиццокаро из итальянского INRiM. Он также добавил, что установка действовала как распределенная лаборатория, которую можно использовать для фундаментальных физических исследований, например, для поиска темной материи или проверки основ физики.

Координация работы всех десяти часов и поддержание их синхронизации в шести странах потребовали колоссальной подготовки. Некоторые результаты не оправдали ожиданий, но совместная работа такого количества устройств помогла выявить причины расхождений.

"Не все результаты подтвердили наши ожидания, и мы обнаружили некоторые несоответствия в измерениях, – говорит Рэйчел Годун из NPL. – Однако сравнение такого количества часов одновременно и использование более чем одного метода для их соединения облегчили выявление источника проблемы".

Ученые уверены, что предстоит еще много работы, чтобы уменьшить погрешность измерений и убедиться в долгосрочной надежности оптических часов. Если им это удастся, именно эти часы могут стать новым мировым стандартом времени. Как отмечает Томас Линдвалл из финского VTT MIKES: "Наличие согласованного набора измерений позволяет проверить согласованность результатов и получить более надежные данные".

Эта статья была создана с использованием искусственного интеллекта и проверена редактором.

Мнение редакции: Переход на оптические часы для определения секунды – это огромный шаг вперед, который позволит не только повысить точность многих технологий, но и откроет новые горизонты для фундаментальных научных исследований.