Физики, работающие в Национальном институте стандартов и технологий США, создали рекордно точные атомные часы на основе атомов иттербия, захваченных в оптических решетках. Тем самым они надеются изучить некоторые самые таинственные феномены во Вселенной. Экспериментальные атомные часы в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST) поставили три новых рекорда.

Теперь они функционируют достаточно точно, не только чтобы отслеживать время и навигацию, но и для регистрации слабых сигналов из ранней Вселенной, гравитационных волн и, возможно, даже темной материи. Статья о работе опубликована в журнале Nature.

Часы захватывают тысячу атомов иттербия в оптические решетки, созданные лазерными лучами. Атомы тикают, вибрируя или прыгая между двумя энергетическими уровнями. Физики из NIST добились рекордных показателей в трех важных значениях: систематическая неопределенность, стабильность и воспроизводимость.

Систематическая неопределенность показывает, насколько хорошо часы представляют естественные вибрации — или частоту — атомов. Исследователи из NIST обнаружили, что каждый из их приборов тикает со скоростью, соответствующей естественной частоте, с возможной погрешностью всего в 1,4 части из 10¹⁸ — около одной миллиардной от одной миллиардной.

Упрощенная экспериментальная схема / © NIST/Nature

Стабильность связана с тем, насколько частота часов меняется за определенный временной интервал. Это значение составило 3,2 части из 10¹⁹ (или 0,00000000000000000032) за день.

Воспроизводимость связана с тем, насколько точно два устройства тикают на одной и той же частоте. Было проведено сравнение 10 пар часов: разница составила менее одной миллиардной от одной миллиардной.

Согласно Общей теории относительности, атомные часы будут идти медленнее, то есть частота атомных вибраций замедлится, а при более сильной гравитации — она смещается в красную сторону электромагнитного спектра. Другими словами, время идет медленнее на меньшей высоте.

Несмотря на то что красное смещение плохо сказывается на отсчете времени этих часов, такая чувствительность может быть использована для тонкого измерения гравитации. Сверхчувствительные часы могут отследить гравитационное искажение пространства-времени точнее, чем когда-либо. Это можно применить для релятивистской геодезии, измеряющей гравитационную форму Земли, регистрации сигналов из ранней Вселенной — вроде гравитационных волн — и даже темной материи, о которой до сих пор почти ничего неизвестно.