Достигнута рекордная точность измерения частот оптических переходов в атоме водорода на уровне единиц пятнадцатого знака. Измерение позволило наложить ограничение на дрейф постоянной тонкой структуры α, а также открыло возможность уточнить постоянную Ридберга. Эксперименты проводились в Институте квантовой оптики Общества Макса Планка (Гархинг, Германия). Авторы работы – ведущий научный сотрудник лаборатории оптики активных сред ФИАН доктор физико-математических наук Николай Колачевский и специалисты группы нобелевского лауреата Теодора Хенша. Полученный результат важен не только для фундаментальной науки, но и для практических приложений в современной метрологии.

Можно ли с помощью тонких высокоточных измерений достичь чувствительности к дрейфу фундаментальных констант, сопоставимой с результатами астрофизических наблюдений?

В Стандартной модели есть набор из примерно 30 входящих параметров – фундаментальных констант. Это измеряемые величины, но происхождение их в рамках существующих теорий неизвестно, это за пределами понимания современной физики. Одна из констант, знаменитая постоянная тонкой структуры α, привлекала внимание исследователей со времен П. Дирака.

Постоянная тонкой структуры α ≈ 1/137 -безразмерная величина, характеризующая электромагнитные взаимодействия. Она определяет течение всех электромагнитных процессов – и в атомах, и в ядрах – и входит в большинство физических параметров. Почему ее значение примерно равно 1/137 и чем оно определяется? Насколько это число постоянно? Меняется ли оно во времени и в пространстве?

Принцип Эквивалентности Эйнштейна запрещает ее изменение, но теории объединения допускают дрейф во времени и пространстве. Отличалась ли α от ее значения в момент образования Вселенной, когда масштаб энергий был намного больше сегодняшнего, и можем ли мы увидеть отголоски тех событий в лабораторных экспериментах? Ответов на эти вопросы пока нет.

Можно действовать разными путями. Например, измерить значение α и проследить, как оно меняется во времени. Точность определения α достигла единиц десятого знака, и, казалось бы, проводя измерения в течение 10 лет, можно уже достичь внушительной чувствительности к ее изменениям. Однако, существуют величины, допускающие измерение с существенно более высокой точностью, которые в свою очередь зависят от α. Прослеживая изменение таких величин во времени можно сделать вывод и о стабильности постоянной тонкой структуры.

Самые точные измерения, выполняемые на сегодняшний день в физике – это измерения отношений частот. То есть, чтобы точно измерить что-либо, надо преобразовать измеряемую величину в частоту. Именно это происходит, например, при измерении скорости движущегося автомобиля, когда используется эффект Доплера, или при точном измерении разности потенциалов – с использованием эффекта Джозефсона.

Существенный прогресс точности измерений произошел, когда открылась возможность измерять и сравнивать частоты оптических переходов в атомах и ионах, представляющих собой осцилляторы с исключительно высокой добротностью.

Немаловажную роль сыграло развитие методов стабилизации лазеров, захвата и удержания атомов, но настоящий прорыв в этой области случился с появлением так называемых «оптических гребенок». Стал доступен новый и относительно простой метод измерения оптических частот (за который Теодор Хенш и был в 2005 году удостоен Нобелевской премии).

Сердцем этой системы стал фемтосекундный лазер, излучение которого в данном случае используется как набор стандартных оптических частот. Можно представить себе излучение такого источника, как примерно миллион непрерывных лазеров, каждый из которых обладает своей уникальной и точно определенной частотой.

Говорит Николай Колачевский:

«Задача состояла в том, чтобы измерить частоту в атоме водорода – переход между двумя энергетическими уровнями – между основным и метастабильным состояниями атома. Для того, чтобы возбудить атом, нужно на определенной частоте поглотить два фотона. В возбужденном состоянии он стабилен в масштабе долей секунды, поэтому получается очень узкий переход, и его легко регистрировать. С другой стороны, атом водорода – это неудобный объект для работы – ультрафиолетовый диапазон, невозможность (даже сегодня) охладить атом лазерными методами, захватить в ловушки, что определяется его уникальной структурой уровней».

Был проведен комплекс исследований, нацеленный на максимальную точность в измерении этого перехода. Это тонкая работа, включающая решение целого ряда научных и технических промежуточных задач, например, сужение линии излучения лазера, возбуждающего переход, улучшение детекторов, совершенствование обработки данных. И с интервалом в несколько лет (2001-й, 2003-й и 2010 гг.) ученым удалось выполнить ряд измерений с постоянно увеличивающейся точностью.

«На сегодня, – продолжает один из авторов работы, – точность измерения частоты этого перехода в атоме водорода достигла 15-го знака! Десять лет назад, когда эта работа с Теодором Хеншем только начиналась, речь шла о тринадцатом-четырнадцатом знаках. Конечно, это уступает наиболее точным измерениям в ионе алюминия (проведенным в США), точность которых достигла единиц 18-го знака. Но возможность выполнять точные квантово-механические расчеты именно в атоме водорода делает его уникальным объектом для проведения тестов фундаментальных теорий и определения фундаментальных постоянных (например, постоянной Ридберга). Поэтому полученный результат является важным для дальнейшего развития методов квантовой электродинамики, понимания структуры протона и уточнения табличных величин».

Немаловажную роль измерение этой частоты играет и для исследования стабильности постоянной тонкой структуры. Прежде чем переходить к обсуждению результата, хотелось бы сделать небольшое отступление и рассказать о прогрессе в смежных областях. Прежде всего, это астрофизические наблюдения. Если удаленный объект в отдаленной галактике излучает свет, этот свет доходит до нас через много миллиардов лет. А это значит, мы наблюдаем излучение, испущенное близко к моменту рождения Вселенной. Чем дальше объект, тем длительнее этот временной интервал. Предмет исследования – эти самые спектры, структура которых также определяется постоянной тонкой структуры. Сравнивая спектр, полученный в лаборатории, со спектром, испущенным много миллиардов лет назад, можно сделать вывод, отличалась ли постоянная тонкой структура в то время от ее сегодняшнего значения или нет. Разрешение этого метода оказывается не очень высокое, но, благодаря гигантским интервалам времени, разделяющим момент испускания и регистрации излучения (порядка десяти миллиардов лет), чувствительность к линейному дрейфу получается огромная, на уровне шестнадцатого знака в год.

Есть и другие типы исследований, например, геологический метод. Он основан на изучении изотопного состава руд месторождения Окло (Габон), единственного известного места на Земле, где около двух миллиардов лет назад протекала самопроизвольная цепная реакция деления ядер урана. При этом, как и в ядерном реакторе, возникли интенсивные потоки нейтронов, что и обнаружено по изменению состава изотопов. Исследователями сделаны выводы о сечениях реакций (вероятности захвата нейтрона ядром), проходивших в то время. А сечения реакции во многом определяются α.

"Мы в наших экспериментах с атомом водорода не увидели изменений частоты во времени на уровне погрешности измерений. При этом достигнутая чувствительность к дрейфу оказалась сопоставима с астрофизическими методами, то есть на уровне шестнадцатого знака в год. Такой результат обусловливается крайне высокой точностью лабораторных измерений. Атом водорода оказался удобной моделью, аналогичные измерения выполняются и в других атомных системах. Причем масштабы лабораторных и астрофизических экспериментов несопоставимы. Чтобы наблюдать объект, астрофизикам нужны гигантские комплексы телескоп-спектрометр, такие как KECK-HIRES или VLT. А здесь – на лабораторном столе, с помощью методов атомной прецизионной спектроскопии оказалось возможным достичь фактически того же уровня чувствительности к дрейфу. Если же посмотреть – именно с точки зрения дрейфа, – как со временем повышается точность методов, то лабораторные методы уже обогнали астрофизику.

Конечно, астрофизики “видят” то, что было миллиард или несколько миллиардов лет после рождения Вселенной. А чем ближе к началу развития Вселенной, тем вероятнее обнаружение каких-то изменений. Отсутствие наблюдаемого дрейфа на сегодняшний день, конечно, является некоторым разочарованием для исследователей, ищущих “новую физику”. Но с практической точки зрения результат оказывается важен для современной метрологии, а именно навигационных систем, включая космические системы ГЛОНАСС и GPS, поскольку они также опираются на распространение точных частот, синтезируемых атомами", – констатирует Колачевский.