Физики из Национального института стандартов и технологий США (NIST) достигли рекордной точности в измерении времени — до 19-го знака после запятой. Это открывает путь к новым открытиям в физике элементарных частиц и технологиях квантовой логики.
Современная физика упирается в пределы точности инструментов. Когда измерения совпадают с расчётами до 12 знаков после запятой, найти отклонения от известных законов становится практически невозможно. Исследователи из NIST (США) смогли продвинуться дальше: они создали атомные часы, точность которых достигает 19-го знака. Это примерно на 40% точнее предыдущих рекордных установок.
В основе новых часов лежит ион алюминия. Он «тикает» с самой высокой известной частотой и демонстрирует исключительную стабильность. Однако работать с ним непросто: он почти не реагирует на магнитные поля и температурные колебания, но его крайне трудно охлаждать и измерять. Чтобы справиться с этим, учёные создали новую ионную ловушку — с утолщённым алмазным основанием и золотыми электродами, которые гасят паразитные электромагнитные поля. На разработку этой системы ушло около двух десятилетий.
Измерить частоту иона напрямую нельзя, поэтому в ловушку добавили второй ион — магния. Он охлаждает алюминий и служит «зондом», с помощью которого можно регистрировать характеристики основного иона. Их взаимодействие основано на квантово-логической спектроскопии, а стабильность усиливается за счёт использования высокостабильного лазера, подключённого через оптоволокно длиной 3,6 километра. Источник света находится в лаборатории JILA, удалённой от установки.
Один из главных технологических прорывов — увеличение времени удержания возбуждённого состояния иона с 150 миллисекунд до одной секунды. Благодаря этому время одного цикла измерений сократилось с нескольких недель до полутора суток. Само «тиканье» стало настолько стабильным, что расхождение за всё время измерений не превышает единицы на 10 квинтиллионов.
Такая точность открывает новые горизонты. Она позволяет проверять фундаментальные предположения современной физики — например, о неизменности свойств элементарных частиц. Возможно, прежняя уверенность в их стабильности была иллюзией, вызванной техническими ограничениями. Кроме того, новые часы пригодятся в разработке квантовой логики, оценке перспектив квантовых архитектур и в экспериментах, требующих идеального синхрона.
Чем точнее измерения, тем глубже наука может заглянуть в устройство мира. Новые атомные часы — это не просто рекорд, а инструмент, который может изменить наше представление о материи и времени.
