Первые ядерные часы только что пошли

Ваша карта и есть часы

Синяя точка на карте телефона на деле не измеряет расстояние. Она измеряет время. На каждом спутнике Джи Пи Эс несколько атомных часов. Телефон вычисляет, сколько времени шёл сигнал от каждого спутника. Радиосигналы движутся со скоростью света: за миллиардную долю секунды проходят около тридцати сантиметров.

Ошибка во времени на миллионную долю секунды сместит ваше положение на карте примерно на триста метров.

Двое ядерных часов за одну неделю

Седьмого октября две группы сообщили в журнале Нейчер, что создали часы на основе атомного ядра. Это больше, чем достижение физики. Это новый вид часов. Обе группы считают, что однажды они могут превзойти нынешние часы. Но первые версии пока уступают лучшим атомным часам, и причины важны не меньше результата.

Повторять и считать

В любых часах есть две составляющие: повторяющийся процесс и устройство, считающее повторы. Маятник качается туда-сюда, а кристалл кварца в часах колеблется тридцать две тысячи семьсот шестьдесят восемь раз в секунду. Чем быстрее и равномернее колебания, тем меньшие доли времени различают часы.

Атомная секунда

Сегодня официальную секунду задаёт атом. Это девять миллиардов сто девяносто два миллиона шестьсот тридцать одна тысяча семьсот семьдесят колебаний микроволнового сигнала, на который откликается атом цезия. Фонтанные часы, как эти в НИСТ, подбрасывают облако охлаждённых лазером атомов цезия и проверяют соответствие микроволновой частоты атомному переходу. Более новые оптические часы используют свет вместо микроволн: его частота в десятки тысяч раз выше.

В две тысячи двадцать четвёртом году систематическая неопределённость стронциевых часов в Джайла составила менее одной миллиардной от миллиардной. Оптические часы превзошли цезиевые. Международный орган, определяющий секунду, готовит её новое определение. Решение намечено на две тысячи тридцатый год.

Слабое место: электроны

Все эти часы отслеживают одно: переходы электронов между уровнями энергии во внешней части атома. Электроны находятся снаружи, поэтому посторонние электрические и магнитные поля, а также тепло могут сбивать их ритм. Поэтому в лучших атомных часах несколько атомов держат в вакууме, охлаждают лазерами и тщательно экранируют. С ядром всё иначе.

Оно в десятки тысяч раз меньше самого атома и гораздо слабее реагирует на поля, влияющие на электроны. Но для изменения энергии ядра обычно нужны высокоэнергетические гамма-лучи. Настольный лазер такого излучения дать не может.

Торий-229

Торий стал исключением. У редкого изотопа тория двести двадцать девять возбуждённое состояние выше основного всего примерно на восемь целых четыре десятых электронвольта. Этому переходу соответствует вакуумный ультрафиолет с длиной волны около ста сорока восьми нанометров. Такое излучение лазеру доступно. Такие ядерные часы физики предложили в две тысячи третьем.

Состояние подтвердили лишь в две тысячи шестнадцатом, а энергию измерили светом в две тысячи двадцать втором. Лазером ядра в кристалле впервые возбудили в две тысячи двадцать четвёртом.

Часы в кристалле

Ядро так хорошо защищено, что его можно поместить в твёрдое тело. Обе группы поместили торий двести двадцать девять в кристаллы фторида кальция размером лишь несколько миллиметров при почти комнатной температуре. Изотопа мало: китайская группа вырастила кристалл из раствора, содержащего всего одну целую четыре десятых микрограмма этого вещества. Торий двести двадцать девять образуется при распаде урана двести тридцать три.

Группа Цинхуа пишет: нехватка материала практически исключала возможность вырастить кристалл, проверить его и повторить попытку.

Замыкаем петлю

Раньше ядра тория уже возбуждали, но частоту лазера приходилось регулировать по другим часам. Венская группа замкнула эту цепь: теперь частоту лазера задают сами ядра. Лазер светит сквозь кристалл, и ядра поглощают свет только при нужной частоте. Если частота лазера отклоняется, поглощение падает. Детектор замечает это, и электроника возвращает частоту к нужному значению.

На опубликованной схеме системы видны кристалл, детектор и цепь обратной связи, которая замыкает контур управления. Часы работали целые сутки, и никто их не трогал.

Считаем тики

Часы должны ещё и считать колебания, а здесь это непросто. Свет с длиной волны сто сорок восемь нанометров колеблется около двух квадриллионов раз в секунду. Электроника напрямую считать их не успевает. Поэтому обе группы используют частотную гребёнку: лазер с равномерно расположенными частотами. Как шестерёнки часов, они снижают частоту до уровня, доступного электронике. В Вене часы сравнивали с часами на ионе иттербия в австрийском метрологическом ведомстве по оптоволоконной линии длиной около десяти километров.

В университете Цинхуа вторая группа создала свои ядерные часы, получая ультрафиолет другим способом. Два отдельно выращенных кристалла дали одинаковую частоту с точностью примерно до одной десятитриллионной.

Насколько они стабильны?

Чтобы оценить часы, физики сравнивают их с другими и проверяют, насколько колеблется частота. Этот график из венской статьи показывает колебания частоты при усреднении за всё более долгие промежутки времени. Чем дольше усреднение, тем ниже кривая: за несколько часов она достигает примерно двух стотриллионных. Университет описывает результат в пресс-релизе как ошибку примерно в секунду за тридцать миллионов лет. Это пересчёт по суткам работы.

Двое часов, у каждых своя сила

Стабильность двух новых часов различается. На графике Цинхуа линии, проведённые по данным, снижаются с увеличением времени усреднения, как на графике венской статьи. При одинаковом усреднении лучший режим даёт примерно вшестеро меньшие колебания частоты, чем венские часы. Часы Цинхуа сверяли с водородным мазером и сверхстабильным лазерным резонатором, соединёнными четырёхкилометровой оптоволоконной линией.

Венские часы сутки работали с собственной обратной связью; исследователи измерили и изменения частоты между днями.

Пока отстают

Результаты впечатляют, но лучшие оптические часы всё ещё далеко впереди. Венская группа называет свои часы первым прототипом, который пока уступает лучшим оптическим атомным часам мира. Авторы ожидают, что будущие устройства могут повысить стабильность примерно на четыре порядка. Это прогноз, а не результат измерений.

Каждый день один и тот же ответ?

Второе ограничение проявляется между днями работы, а не внутри одного запуска. Перед каждым запуском лазер выравнивают заново. Луч проходит чуть другой участок кристалла. Разные участки давали немного разные частоты. Результаты разных дней совпадали лишь с точностью примерно до пяти десятитриллионных. Переносные часы должны давать одинаковый результат при каждом включении.

Снова о телефоне

Дойдёт ли это до карты в телефоне? В телефоне вообще нет атомных часов. По сигналам минимум четырёх спутников телефон вычисляет своё положение и ошибку собственных часов. Спутниковые часы сверяют с ещё более точными атомными часами на Земле.

В статье Цинхуа кристаллы тория названы путём к компактным, надёжным часам. Такие часы могут пригодиться спутникам или сетям. Статьи не заявляют об улучшении Джи Пи Эс. Нынешняя точность телефона, около пяти метров, зависит также от атмосферы, зданий и приёмника.

Часы, которые измеряют высоту

Более точные часы измеряют и высоту: дальше от Земли время идёт чуть быстрее. В две тысячи десятом НИСТ сравнил двое оптических часов и обнаружил разницу, подняв одни примерно на тридцать три сантиметра. Измерение формы земного гравитационного поля называется геодезией. Ей нужны часы, которые можно доставить к месту измерения. Надёжные часы в кристалле однажды могут помочь. Но для ядерных часов это пока возможность, а не результат.

Детектор тёмной материи

Ближайшая польза ожидается в физике. Переход в ядре тория необычайно чувствителен к малейшим изменениям сил, связывающих вещество. Венская группа искала в суточных данных часов слабые регулярные колебания, ожидаемые от некоторых видов тёмной материи. Сигнал не нашли, но ограничения уже сопоставимы с результатами лучших атомных часов, хотя это лишь прототип.

За чем следить дальше

Что определит выход ядерных часов из лаборатории? Три вещи: будет ли частота одинаковой каждый день, действительно ли стабильность вырастет в тысячи раз и станут ли доступнее торий двести двадцать девять и ультрафиолетовые лазеры. Новое определение секунды готовят на основе оптических атомных часов, а не ядерных. Ядро уже доказало, что может отсчитывать время. Теперь предстоит проверить, будет ли оно отсчитывать его одинаково везде.