Команда физиков из России и США – Марианна Сафронова (Marianna Safronova) из Университета Делавэра, Михаил Козлов из Петербургского института ядерной физики и Чарльз Кларк (Charles Clark) из американского Национального института стандартов и технологий – придумали способ коррекции микроскопических ошибок в исчислении времени, возникающих в атомных часах из-за температурных колебаний. Это достижение позволяет приблизиться к заветной мечте хронометристов: созданию часов, которые ошибаются всего на одну секунду каждые 32 миллиарда лет, что дольше, чем возраст Вселенной.

Точность хронометража является базой множества современных технологий. Он лежит в основе навигации на Земле и в космосе, синхронизации широкополосных потоков данных, измерений движения, силы и поля, а также испытаниях постоянства законов природы с течением времени.

«С помощью наших расчетов, ученые смогут учесть неуловимый до сих пор эффект, который является основным источником ошибок в современных атомных часах», – рассказывает ведущий автор исследования Марианна Сафронова.

Рис. 1. «Сердце» часов NIST – ловушка,
в которой движутся ионы алюминия.

Этот эффект знаком каждому, кто сидел у костра – речь идет о тепловом излучении. Любой объект, при любой температуре, будь то Солнце или гипотетическое поглощающее все излучение абсолютно черное тело, испускает тепло. Даже полностью изолированные атомы чувствуют колебания температуры окружающей среды. Как тепло увеличивает объем воздуха в воздушном шаре, так и излучение абсолютно черного тела увеличивает размер электронных облаков в атоме. Хотя это увеличение микроскопическое, одна часть размера на сто триллионов, но оно способно серьезно исказить результаты точного измерения. Данное влияние температуры можно увидеть на примере недавно построенных исследователями из NIST самых точных в мире часов. Это прибор с квантовой логикой, основанный на атомных уровнях энергии в ионах алюминия (Al+), который имеет неопределенность (ошибку) в 1 секунду за 3,7 млрд лет.

Для повышения точности подобных часов команда ученых из России и США использовала квантовую теорию строения атома для расчета BBR-сдвига атомных уровней энергии иона алюминия. Для того чтобы подтвердить правильность новой методики коррекции ошибок, она также была проверена в атомных часах на основе иона стронция, недавно построенных в Великобритании. Эксперименты подтвердили, что новая методика позволяет измерять время существенно точнее.

Собственно современные часы на ионе алюминия вносят в измерение времени большие ошибки, чем эффект BBR, но часы следующего поколения, как ожидается, будут значительно совершеннее, и новая методика коррекции ошибок даст еще более ощутимый результат.