Гонка за временем. Ученые дадут новое определение секунды

Гонка за временем. Ученые дадут новое определение секунды

Владислав Стрекопытов. До сих пор эталоном времени служили цезиевые часы, созданные в середине прошлого века. Сейчас появились оптические атомные часы нового поколения. Их усовершенствованием занимаются в физических лабораториях разных стран. Российские ученые тоже в этом участвуют. О том, какие у них есть наработки, — в материале РИА Новости.
Природный эталон
Сутки делят на 24 часа, час — на 60 минут, минуту — на 60 секунд с глубокой древности. До ХХ века секунда равнялась одному качанию маятника часов.Новые средства коммуникации, связь со спутниками и космическими кораблями, сложнейшие научные эксперименты требовали куда больше точности. В 1955-м британский физик Луис Эссен продемонстрировал, что атомные процессы отличаются сверхстабильной периодичностью. Атом состоит из отрицательно заряженных электронов, которые с постоянной частотой вращаются вокруг положительно заряженного ядра. При воздействии на атом переменного электромагнитного поля электроны вибрируют.Эти колебания можно отслеживать и сверять по ним секунды. В качестве эталона для атомных часов выбрали цезий, с которым экспериментировал Эссен.
В 1967-м на XIII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) дали такое определение секунды: это время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего частотному переходу 9,2 гигагерца между двумя уровнями основного состояния атома цезия-133.
Точность первых атомных цезиевых часов достигала 10-10. У модели последнего поколения NIST-F2 с лазерным охлаждением, функционирующей с апреля 2014-го в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), — 10-16. То есть погрешность в одну секунду накапливается за 300 миллионов лет.

Новый стандарт времени
Кроме того, в разных лабораториях мира создали прототипы атомных часов с частотой перехода в оптическом диапазоне. Точность — минимум на два порядка выше.
Поэтому на XXVII Генеральной конференции по мерам и весам, недавно завершившейся во Франции, решили к 2030 году разработать новое определение секунды. И приняли дорожную карту, по которой к следующему заседанию ГКМВ в 2026-м надо подготовить соответствующие предложения.
В России центр стандартов времени и частоты — Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Атомными часами занимаются в Физическом институте имени П. Н. Лебедева (ФИАН) РАН и Институте лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ.
«Прогресс в увеличении точности для атомов цезия фактически исчерпан, — отмечает главный научный сотрудник отдела перспективных исследований и измерений времени и частоты ВНИИФТРИ Виталий Пальчиков. — Это объясняется не ограничениями измерительных возможностей для определения частоты перехода, а объективными физическими причинами, связанными с радиочастотным диапазоном».
Основное требование ГКМВ — точность не ниже 5 х 10-18. Еще одно условие — выполнить замеры, повторить и верифицировать в двух лабораториях. То есть, помимо собственно атомных часов, нужны инструменты сличения стандартов частоты в оптическом диапазоне.
Причем лаборатории могут находиться на значительном расстоянии друг от друга, в том числе на разных континентах, и в измерениях необходимо учитывать поправку на различие гравитационного потенциала. Для этого требуются сверхточные гравиметры, над которыми работают ученые из ВНИИФТРИ.
По оценкам консультативного комитета по времени и частоте Международного бюро мер и весов (BIPM) во Франции, исследования в конкурирующих научных коллективах разных стран завершены примерно на 30 процентов.

Ядерный переход
В большинстве лабораторий рассматривают часы на основе атомов стронция или иттербия, способных излучать или поглощать фотоны в видимой части спектра. Еще работают с рубидием, алюминием, ртутью. В ФИАН, например, занимаются тулием.
Вместе с тем российские физики изучают принципиально другую схему — ядерные часы. Там переходы не электронов, а изомеров — метастабильных состояний ядра, в которых один или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают более высокие или низкие энергетические уровни. Конкретно — экспериментируют с низкоэнергетическим изомерным переходом в ядре тория-229.
«Когда электрон перескакивает на уровень с меньшей энергией, излучается фотон — свет, который мы видим, — объясняет профессор НИЯУ МИФИ и главный научный сотрудник ФИАН Евгений Ткаля. — В ядре тория-229 — то же самое. Только переход коллективный — протонов и нейтронов. Главный вопрос — определить точное значение энергии перехода».
Подобные исследования проводят в США, Европе и Австралии, но российские физики продвинулись дальше всех. Да и сама эта идея возникла в России. В 1976-м гамма-спектроскопия впервые показала, что есть изомер торий-229m с очень низкой энергией возбуждения, ядро представляет собой дуплет энергетических уровней, разнесенных лишь на несколько электронвольт. Это самый низкоэнергетический ядерный переход из всех известных.
Чтобы возбудить атом, нужно подобрать частоту световой волны, соответствующую энергии перехода. А у тория-229 она настолько низкая, что возможно прямое лазерное возбуждение. Ожидается, что ядерные часы будут на порядок точнее, чем лучшие современные оптические атомные часы, и приблизятся к уровню 10-19. При таком показателе погрешность в одну секунду накопится за 30 миллиардов лет, что значительно превышает возраст Вселенной.

Самые свежие новости медицины в нашей группе на Одноклассниках

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>