Китайские ученые впервые запустили холодные атомные часы на околоземную орбиту. Относительная погрешность измерения времени такими часами составила примерно 10⁻¹³ (одна секунда за 160 тысяч лет), после 15 месяцев полета характеристики часов остались на прежнем уровне. Статья опубликована в Nature Communications.

В наши дни для точного измерения времени в основном используют атомные часы, основанные на переходах между энергетическими уровнями атомов. Такие часы установлены на базовых станциях мобильной связи и в сервисах точного времени; без атомных часов была бы невозможна работа навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС), в которых расстояние до точки определяется по времени приема сигнала от спутников. Подробнее про работу таких навигационных систем можно послушать в рассказе физика-теоретика Эмиля Ахмедова. Кроме того, современное определение секунды тоже полагается на атомные часы: в международной системе единиц СИ секунда — это промежуток времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, отвечающих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 (¹³³Cs).

Тем не менее, стандартные атомные часы, работающие с «горячими» атомами, далеко не самые точные. Например, национальные стандарты времени (цезиевые часы) уходят примерно на одну миллиардную секунды в день, то есть относительная погрешность измерения частоты перехода атома составляет в них примерно 10⁻¹⁴. С другой стороны, погрешность «холодных атомных часов», а если точнее, часов с холодными атомами (cold atomic clock, CAC), составляет менее 10⁻¹⁸. Помещенные в такие часы атомы охлаждают с помощью лазеров до температуры порядка нескольких сотен нанокельвинов, а затем считывают частоту колебаний атомов, накладывая на них осциллирующее магнитное поле и измеряя заселенности энергетических уровней (этот метод называется интерферометрией Рамзи, Ramsey interferometry). К сожалению, до сих пор не известно, как такие часы будут вести себя в космосе. Чтобы провести такую проверку, нужно существенно снизить потребление энергии, объем и массу часов, уложиться в стандарты совместимости по производимым электромагнитным полям, тепловому излучению и механической нагрузке для космических миссий, а также защитить часы от колебаний магнитного поля Земли и воздействия космических лучей.

Группа ученых под руководством Лиан Лю (Liang Liu) впервые провела такую проверку. Для этого они изготовили холодные атомные часы, связывая в оптической ловушке около 50 миллионов атомов рубидия-87 и измеряя с помощью интерферометрии Рамзи частоту перехода между уровнями со значениями орбитального квантового числа L = 1 и L = 2. Чтобы снизить влияние внешних эффектов, физики откачали установку до давления порядка 10⁻¹² атмосфер, экранировали ее тремя слоями мю-металла и изменяли с помощью сервомотров конфигурацию слоев таким образом, чтобы колебания внешнего магнитного поля не превышали пяти нанотесла. Если бы такое экранирование не выполнялось, часы быстро бы вышли из строя — магнитное поле на орбите Земли достигает 80 микротесла, то есть должно приводить к расщеплению энергетических уровней и изменению частоты перехода в результате эффекта Зеемана. Убедившись, что часы удовлетворяют всем требованиям для космических аппаратов, ученые установили их на спутник Тяньгун-2 и запустили на околоземную орбиту 15 сентября 2016 года (ускорение свободного падения порядка 10⁻⁴g).

Схема устройства холодных атомных часов, запущенных в космосю Liang Liu et al. / Nature Communications

В течение следующих 15 месяцев часы проработали практически непрерывно. Точность часов (относительная погрешность) находилась на уровне 10⁻¹³, что сравнимо с точность часов спутников GPS. К сожалению, измерить ее непосредственно на орбите было невозможно, поэтому ученые приводят данные только наземных измерений с водородным мазером. Тем не менее, другие наблюдаемые характеристики часов, например, ширина резонанса, не изменились, что указывает на стабильность их работы. Таким образом, ученые показали, что холодные атомные часы можно использовать для измерения времени в космосе. Возможно, в будущем такие часы помогут увеличить точность измерений в различных космических экспериментах (например, проектируемых детекторах гравитационных волн) и разработать следующее поколение навигационных систем, подобных GPS и ГЛОНАСС.

Отклонение частоты часов от частоты наземного водородного мазера (черные кружки), теоретически предсказанная величина отклонения (черная пунктирная линия) и то же отклонение на орбите (красная линия). Liang Liu et al. / Nature Communications

Раньше ученые уже проверяли, как холодные атомные часы работают в невесомости — например, сбрасывали их с высокой башни, отправляли в свободное падение на самолете (parabolic flight) и даже запускали в верхние слои атмосферы на метеорологической ракете. Тем не менее, во всех этих опытах продолжительность пребывания в невесомости составляла всего несколько минут (а то и секунд), и проверить долговременные эффекты, связанные с низкой гравитацией, было невозможно. Работа китайских ученых — это результат первой подобной проверки.

В ноябре прошлого года ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) построили самые точные в мире атомные часы, погрешность которых не превышает 10⁻¹⁸, то есть менее одной секунды на 30 миллиардов лет. Эти часы состояли из примерно трех тысяч атомов стронция, которые были охлаждены до температуры порядка десяти нанокельвинов и собраны с помощью лазера в трехмерную решетку. В марте этого года та же группа исследователей сообщила о еще большем увеличении точности — используя аналогичную технологию, им удалось снизить погрешность до уровня 2,5×10⁻¹⁹. Такая высокая точность позволяет использовать эти часы, например, для детектирования гравитационных волн.

Проверить, насколько точно вы сможете оценить длительность различных процессов в секундах, можно в нашем тесте.

Автор: Дмитрий Трунин