В новом исследовании ученые провели самое масштабное на сегодняшний день скоординированное сравнение оптических часов в шести странах, одновременно управляя часами и линиями связи. Эксперимент, охватывающий тысячи километров, представляет собой значительный шаг к переосмыслению единицы времени и, в конечном счете, к созданию глобальной оптической временной шкалы.
Точные сигналы времени и частоты, передаваемые атомными часами, необходимы для многих повседневных технологий, таких как спутниковая навигация, управление энергосетями и синхронизация финансовых транзакций. На показания атомных часов ориентируются все беспилотные транспортные средства от баллистических ракет до автомобилей. Результаты эксперимента могут помочь улучшить производительность оптических часов следующего поколения, открыв перед ними совершенно новые области применения и продвинув научные исследования взаимодействия пространства и времени.
Оптические часы — разновидность атомных часов. Они используют лазеры для возбуждения атомов контролируемым образом. Излучение заставляет атомы перемещаться между определенными энергетическими уровнями. Эти переходы происходят на очень точно зафиксированных частотах и служат аналогом тиканья традиционных механических часов. Поскольку оптические часы представлены в разных формах, в каждой из которых используются атомы разных элементов для отсчета времени, для реализации всего потенциала этих высокоточных хронометров требуется их синхронизация на достаточно больших расстояниях — в масштабах всего земного шара или хотя бы континента или части света. В данном случае была проведена европейская сверка оптических часов.
Междисциплинарная группа исследователей сообщила о результатах 38 синхронизаций (или сравнений частот), проведенных одновременно с десятью различными оптическими часами. Четыре из этих сравнений были проведены впервые, а в остальных случаях были уточнены результаты предыдущих измерений.
Эксперимент показал, как оптические часы по всей Европе могут быть подключены для измерения соотношения частот с высочайшей точностью. Это создает распределенную лабораторию, которая может быть использована для проведения фундаментальных физических тестов, таких как поиск темной материи или проверка основных законов физики, в том числе постулатов теории относительности и положений квантовой механики.
Готовы ли оптические часы?
На протяжении десятилетий мировой стандарт отсчета времени по всему миру основывался на усреднении сигналов атомных часов с цезиевым излучением. С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Согласно этому определению, атом Cs133 является стандартом для измерений времени и частоты. От точности определения секунды зависит точность определения других единиц системы СИ, которые связаны с единицами времени.
Но по мере того, как точность и стабильность оптических часов неуклонно повышаются, растет стремление ученых пересмотреть Международную систему единиц измерения времени, и принять в качестве эталона оптические часы.
Оптические часы в настоящее время примерно в 100 раз точнее лучших цезиевых часов и могут измерять время с такой точностью, что за миллиард лет они потеряли бы или выиграли менее одной секунды.
Однако использование оптических часов для международного хронометража требует сравнения данных между различными оптическими часами, чтобы убедиться, что они работают должным образом. Для этого исследователи и провели скоординированное сравнение оптических часов в шести странах в рамках крупного совместного проекта.
Одновременное сравнение нескольких часов и использование более чем одного типа технологии соединения дает гораздо больше информации, чем попарные сравнения часов, которые проводились до настоящего времени. Благодаря согласованному набору измерений становится возможным проверять их синхронность, получая максимально достоверные результаты. Они помогут определить, какие оптические часы следует использовать при новом определении единицы времени.
Сверим часы!
Для проведения измерений исследователи должны были связать частотные выходы различных оптических систем. Они сделали это, используя радиосигналы со спутников и лазерный луч, проходящий по оптоволокну.
В спутниковом методе использовались сигналы GPS, которые были доступна для всех часов, включенных в исследование. Однако этот метод привязки имеет ограниченную точность из-за погрешностей измерений, вызванных фоновым шумом при прохождении сигнала и техническими ограничениями приборов.
Исследователи использовали специальные волоконно-оптические линии связи, которые позволяли проводить измерения с точностью в десятки раз большей, чем при использовании спутниковых технологий. Однако эти стабильные высокоточные соединения можно было использовать только во Франции, Германии и Италии. В других странах, участвовавших в эксперименте, оптоволоконных сетей с нужной разрешающей способностью пока нет.
Координация одновременной работы десяти оптических часов в разных странах и всех звеньев, соединяющих часы, потребовала тщательного планирования, которое началось задолго до проведения измерений. Итоговый анализ данных также был сопряжен с некоторыми трудностями.
Рэйчел Гордон, главный научный сотрудник Национальной физической лаборатории Великобритании, призналась, что не все ожидаемые результаты подтвердились и что ученые заметили неожиданные несоответствия в измерениях. Однако источники проблемы удалось в конце концов благополучно найти. Участники эксперимента надеются, что проведенные измерения ускорят перевод эталонного времени с цезиевых часов на часы оптические.
Недавно в Мичиганском университете был представлен самый мощный лазер в истории США, способный создать импульс в 2 петаватта. Читайте о нем в материале Hi-Tech Mail.
