Об оптических часах

Сейчас трудно поверить, что первые часы с точностью хода в одну секунду были сделаны на основе пьезокристалла всего лишь 90 лет назад.

После Второй мировой войны появились первые атомные часы, использующие усредненный стандарт частоты колебаний атомов цезия – около миллиона (или миллиарда, что не так уж и важно). С помощью тех часов удалось доказать справедливость положений Альберта Эйнштейна о влиянии скорости и гравитации на ход часов – ускорение и замедление их хода.
Однако ученых давно уже, с начала нулевых, наносекундная точность хода атомных часов не удовлетворяла. Летом 2012 года ученые из Европейского центра ядерных исследований в Женеве (CERN) вроде бы обнаружили так называемый бозон Хиггса – частицу, которая наделяет массой все другие элементарные частицы. Однако специалисты, работающие на Большом адронном коллайдере, в котором на огромных скоростях сталкиваются протоны (ядра водорода), только в конце марта 2013 года окончательно подтвердили, что обнаруженная в этих столкновениях частица – действительно бозон Хиггса. Такой долгий период идентификации частицы был связан в том числе и с недостаточным разрешением хода атомных часов, из-за чего подземный коридор, в котором осуществляются коллизии (столкновения протонных пучков), временно закрыли на «апгрейд».
Вполне возможно, что на коллайдере установят новейшие ионные часы с разрешением в фемтосекунды! То есть десять в минус пятнадцатой степени секунды. Впервые о создании подобных оптических часов – часов с использованием не колебательного, а оптического стандарта – Патрик Джил задумался еще в 2001 году. Тогда он поступил в Национальную физическую лабораторию Оксфордского университета. Через семь лет он удостоился премии молодого ученого за создание прототипа нынешних сверхточных часов.
В этом устройстве отдельные атомы стронция, проходя через самую обыкновенную печку, нагреваются, теряя при этом электроны и становясь ионами. А дальше, в условиях «жесточайшего» вакуума, ион охлаждается лучами шести лазеров практически до абсолютного нуля (–273 градуса по Цельсию), чтобы повысить соотношение сигнала и шума. Это позволило с помощью еще одного лазера определить параметры ион-оптического стандарта с использованием знаменитых боровских квантовых скачков. Другими словами – используя частоту резонирования-колебания иона между двумя состояниями (quantum states).
Сегодня принятый оптический стандарт на основе атома ртути составляет 10 в минус 16-й степени, допуская нарушение точности хода часов в одну секунду за 200 млн лет. В Оксфорде к этой величине добавили еще два порядка, увеличив точность в 100 раз, поскольку ион в часах Национальной физической лаборатории, удерживаемый в самом центре ловушки, совершает 444 779 044 095 485 колебаний, или испускает столько же оптических импульсов…
Сейчас уже банально говорить о том гигантском скачке, который был сделан после введения в повседневную практику атомных часов. Достаточно сказать, что атомный стандарт сделал вполне оправданными расходы в области оптоволоконной технологии, без которой невозможно себе представить современный Интернет и быстродействующие компьютеры. Без последних, признает Джил, невозможно было бы и управление лазерами его устройства, которые должны включаться и выключаться с необычайно большой скоростью, позволяя поддерживать глубокий вакуум и нулевую температуру в ионной ловушке.
Какие перспективы откроет новый оптический стандарт, говорить сейчас довольно трудно. Но уже под землей неподалеку от Женевы он явно не затеряется.