Особый тип излучения позволяет повысить точность измерения времени: что выяснили физики

Фото: space.com

Если новая теория физиков подтвердится, то это может привести к созданию более точных систем GPS и лучших атомных часов. Это может также привести к созданию устройств, которые смогут обнаруживать землетрясения и извержения вулканов с более высоким уровнем точности. И что удивительно, один из авторов исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, Элиот Бор, является правнуком знаменитого физика Нильса Бора, пишет Space.

Из всех единиц измерения, которые человечество использует для измерения, наиболее точно определена секунда, фундаментальная единица времени. Решающее значение для этого и для всех видов измерения времени на протяжении всей истории имели различные виды колебаний. Точно так же, как старинные часы используют колебания маятника для измерения времени, атомные часы определяют секунду как 9 192 631 770 микроволновых колебаний атома цезия, поскольку он поглощает микроволновое излучение определенной частоты.

Многие современные атомные часы для измерения времени используют колебания атомов стронция, а не цезия. Самые лучшие часы имеют точность до 1/15 000 000 000 секунды. Это означает, что, даже если бы эти часы шли с начала появления Вселенной 13,8 млрд лет назад, они все равно не потеряли бы ни секунды. Тем не менее, для большинства атомных часов, которые используются для измерения всемирного координированного времени на Земле и обеспечения синхронизации мобильных телефонов, компьютеров и технологий GPS, все еще есть возможности для улучшения.

Дело в том, что лазер, используемый для считывания колебаний атомов в атомных часах, при этом нагревает эти атомы, заставляя их покинуть систему. Это может создать некоторое несоответствие, хотя и очень незначительное. Тем не менее, физики считают, что они нашли способ полностью исключить лазер и избежать тем самым нагрева атомов и потенциального снижения точности.

По словам ученых, они обнаружили, что с помощью сверхизлучения можно считывать коллективное состояние атомов, как того требуют атомные часы, с повышенной скоростью и с минимальным нагревом.

В современных атомных часах примерно 300 млн горячих атомов стронция выбрасываются в магнитооптическую ловушку, расположенную внутри вакуумной камеры. Эта ловушка представляет собой шар из атомов, охлажденный до температуры, близкой к абсолютному нулю. Их-за этого атомы находятся почти в неподвижном состоянии. Это позволяет двум зеркалам со светом между ними регистрировать колебания атомов.

По словам ученых, в традиционных атомных часах атомы нагреваются, что требует новой загрузки атомов. Эта загрузка занимает некоторое время и вызывает простои в цикле атомных часов, ограничивая их точность. Но созданные физиками приостановленные" атомы могут быть использованы повторно. Это означает, что их не нужно будет заменять так часто, что приведет к более точным атомным часам.

По словам ученых, сверхизлучающие атомы — это атомы, которые существуют в коллективном квантовом состоянии и возбуждаются за счет добавления энергии в виде фотонов или частиц света. Когда атомы высвобождают энергию, вызванную фотонами, все они излучают свет в одном направлении и с повышенной скоростью.

Эта увеличенная скорость излучения позволяет фотонам выходить гораздо быстрее в результате атомных переходов, которые используются в атомных часах. Этот мощный световой сигнал можно использовать для считывания атомного состояния коллективных атомов стронция, а это означает, что лазер вообще не нужен. Поскольку процесс происходит без нагревания сверхизлучающих атомов более чем на минимальную величину, их не нужно будет заменять.

Отказ от лазера не только позволит сделать атомные часы более точными, но и позволит создать более простые и портативные устройства. Ученые считают, что если будут созданы портативные и достаточно точные атомные часы, то можно будет лучше предсказывать землетрясения и извержения вулканов, измеряя определенные изменения гравитации.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист AOinform