Атомные часы идут точнее тех, которые используются нами для определения секунды, что позволяет предположить, что определение времени, возможно, придётся поменять

Внутри лаборатории, расположенной у подножия Скалистых гор, среди лабиринта линз, зеркал и другого оптического оборудования, прикреплённого к виброустойчивому столу, к потолку поднимается устройство, напоминающее дымоходную трубу. В последний раз в серебристой трубе находилось облако из тысяч переохлаждённых атомов цезия, которые были подняты вверх с помощью лазеров, а затем оставлены, чтобы они снова опустились вниз. При каждом цикле мазер — устройство, подобное лазеру, которое генерирует микроволны — воздействовал на атомы, заставляя их внешние электроны переходить в другое энергетическое состояние.

Устройство, называемое цезиевыми фонтанными часами, находилось в середине двухнедельного цикла измерений в исследовательском центре Национального института стандартов и технологий (NIST) в Боулдере, штат Колорадо, где оно постоянно фонтанировало атомами. Детекторы внутри измеряли фотоны, испускаемые атомами, возвращающимися в исходное состояние. Атомы совершают такие переходы, поглощая определённое количество энергии, а затем излучая её в виде света определённой частоты, что означает, что волны света всегда достигают своей максимальной амплитуды с регулярной, надёжной периодичностью. Эта периодичность обеспечивает естественную временную точку отсчёта, которую учёные могут определить с необычайной точностью.

Повторяя процесс фонтанирования сотни тысяч раз, прибор сужает диапазон до точной частоты перехода атомов цезия. Хотя технически это часы, цезиевый фонтан не может показать время. «Этот прибор не отслеживает время», — говорит Владислав Гергинов, старший научный сотрудник NIST и хранитель этих часов. «Это эталон частоты — камертон». Настраивая луч света на эту резонансную частоту, метрологи могут «определять время», как они это формулируют, считая колебания световой волны.

Сигнал от этого камертона — около девяти гигагерц — используется для калибровки около 18 более мелких атомных часов в NIST, которые работают 24 часа в сутки. Эти часы, размещённые в инкубаторах для яиц для контроля температуры и влажности, поддерживают официальное время в США, которое сравнивается с аналогичными измерениями в других странах для установления всемирного координированного времени, или UTC.

Гергинов, одетый в повседневную рубашку в клетку с короткими рукавами и кроссовки, с гордостью рассказывал об этом приборе. Недавно он заменил микроволновую полость часов — медный проход в середине трубки, где атомы взаимодействуют с мазером. В скором времени прибор будет назван NIST-F4 и станет новым основным эталонным часами для США. «Это будет основной стандарт частоты», — говорит Гергинов, глядя на металлический фонтан, вакуумную камеру высотой три фута с четырьмя слоями магнитного экранирования из никель-железного сплава. «Пока не изменится определение секунды».

С 1967 года секунда определяется как продолжительность 9 192 631 770 циклов резонансной частоты цезия. Другими словами, когда внешний электрон атома цезия переходит в более низкоэнергетическое состояние и испускает свет, время, необходимое для излучения 9 192 631 770 циклов световой волны, называют одной секундой. «Можно представить атом в виде маятники, — говорит научный сотрудник NIST Джон Китчинг. — Мы заставляем атомы колебаться с их естественной резонансной частотой. Все атомы цезия одинаковы, и частоты не меняются. Они определяются фундаментальными константами. И именно поэтому атомные часы — лучший способ измерения времени на данный момент».

Но цезиевые часы больше не являются самыми точными из существующих. За последние пять лет самые передовые атомные часы в мире достигли важной вехи, обеспечив точность измерений, превосходящую точность лучших цезиевых часов более чем на два порядка. Эти новые приборы, называемые оптическими часами, используют другие атомы, такие как стронций или иттербий, которые переходят в другое состояние при гораздо более высоких частотах. Они излучают оптический свет, в отличие от микроволнового излучения цезия, эффективно деля секунду на количество «тиков», примерно в 50 000 превышающее то, которое могут измерить цезиевые часы.

Тот факт, что оптические часы превзошли старые атомные часы, создал своего рода парадокс. Новые часы могут измерять время с большей точностью, чем цезиевые часы, но именно цезиевые часы определяют время. Продолжительность одной секунды неразрывно связана с частотой перехода цезия. До тех пор, пока не произойдёт пересмотр определения, ничто не может быть более точной секундой, потому что секунда — это 9 192 631 770 циклов резонансной частоты цезия.

Эта проблема является причиной, по которой многие учёные считают, что пришло время для нового определения секунды. В 2024 году рабочая группа, созданная Международным бюро мер и весов (BIPM) со штаб-квартирой в Севре, Франция, опубликовала дорожную карту, в которой были установлены критерии для переопределения секунды. Они включают в себя то, что новый стандарт будет измеряться по крайней мере тремя различными часами в разных учреждениях, что эти измерения будут регулярно сравниваться со значениями других типов часов и что лаборатории по всему миру смогут создавать свои собственные часы для измерения целевой частоты. Если в течение следующих двух лет будет достигнут достаточный прогресс в отношении этих критериев, то секунда может измениться уже в 2030 году.

Однако не все согласны с переопределением секунды в настоящее время. Во-первых, от этого нет явной непосредственной выгоды. Сегодняшние цезиевые часы достаточно точны для большинства практических применений, включая синхронизацию спутников GPS, от которых мы все зависим. Мы всегда сможем повысить точность секунды позже, если появятся инновации, требующие более точного времени. «Сегодня мы не получаем реальной выгоды от немедленного изменения», — говорит Нильс Хунтеманн, учёный из Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), национального метрологического института Германии. Пересмотр определения секунды также не будет простым делом — учёные будут вынуждены выбрать новый стандарт из множества существующих в настоящее время передовых атомных часов, которые постоянно совершенствуются. Как им выбрать?

Несмотря на сложности, некоторые физики считают, что они обязаны использовать самые точные часы из доступных. «Это просто вопрос принципа», — говорит Элизабет Донли, руководитель отдела времени и частоты в NIST. «Хочется обеспечить максимально точные измерения».

Первые часы в мире были изобретены тысячи лет назад, когда первые человеческие цивилизации создали устройства, отслеживающие движение солнца, чтобы разделить день на интервалы. Самые ранние версии солнечных часов были изготовлены древними египтянами около 1500 года до нашей эры. Позже египтяне начали использовать водяные часы, которые древние греки называли клепсидрами, что означает «водяные воры». Эти часы отсчитывали время, позволяя воде стекать из сосудов с отверстием в дне. Эти приборы, пожалуй, были первыми, которые измеряли продолжительность времени независимо от движения небесных тел. Механические часы с грузовым приводом появились в средневековых европейских церквях и тикали с постоянной частотой, что привело к появлению современного 24-часового дня. Звон колоколов, отмечавший часы, даже дал нам слово «clock» (часы), которое происходит от латинского clocca, означающего «колокол».

По мере того как механические часы становились более точными, особенно с появлением маятниковых часов в середине XVII века, хронометристы разделили час на минуты и секунды. (Сначала применяемое к угловым градусам, слово «минута» происходит от латинского prima minuta, означающего «первая маленькая часть», а «секунда» происходит от secunda minuta, «вторая маленькая часть»). На протяжении веков города имели свои собственные местные часы, которые периодически настраивались так, чтобы бой полудня совпадал с показаниями солнечных часов. Только в XIX веке, когда удалённые железнодорожные станции нуждались в скоординированном расписании поездов, были установлены часовые пояса и стандартизировано время во всём мире.

В XX веке часы значительно усовершенствовались после того, как французские физики и братья Жак и Пьер Кюри обнаружили, что при подаче электрического тока на кристалл кварца он начинает вибрировать со стабильной частотой. Первые часы с кварцевым генератором были разработаны Уорреном Маррисоном и Джозефом Хортоном из Bell Laboratories в 1927 году. В часах ток проходил через кварц, а с помощью схемы получаемая частота делилась до тех пор, пока она не становилась достаточно низкой для привода синхронного двигателя, управляющего циферблатом часов. Сегодня ежегодно производятся миллиарды кварцевых часов для наручных часов, мобильных устройств, компьютеров и другой электроники.

Ключевая инновация, которая привела к появлению атомных часов, принадлежит американскому физику Исидору Исааку Раби из Колумбийского университета, который в 1944 году получил Нобелевскую премию по физике за разработку метода точного измерения резонансных частот атомов. Его метод, называемый методом молекулярного пучка магнитного резонанса, позволял точно настроить радиочастоту, чтобы вызвать переход атомов в квантовые состояния. В 1939 году Раби предложил использовать этот метод для создания часов, а в следующем году его коллеги из Колумбийского университета применили его технику для определения резонансной частоты цезия.

Этот элемент считался идеальным эталонным атомом для измерения времени. Это мягкий серебристый металл, который при комнатной температуре находится в жидком состоянии, подобно ртути. Цезий — относительно тяжёлый элемент, что означает, что он движется медленнее, чем более лёгкие элементы, и поэтому его легче наблюдать. Его резонансная частота также выше, чем у других кандидатов в часы того времени, таких как рубидий и водород, что означает, что у него был потенциал для создания более точного стандарта времени. Эти свойства в конечном итоге позволили цезию почти 40 лет спустя занять место эталона секунды.

Но первые атомные часы не были цезиевыми. В 1949 году Гарольд Лайонс, физик из предшественника NIST, Национального бюро стандартов (NBS), построил атомные часы на основе метода магнитного резонанса Раби с использованием молекул аммиака. Они выглядели как компьютерная стойка с рядом датчиков и циферблатов, поэтому Лайонс прикрепил к верхней части циферблат для публичной демонстрации, чтобы показать, что его устройство на самом деле является часами. Однако эти первые атомные часы не могли сравниться по точности с лучшими кварцевыми часами того времени, и аммиак был заброшен, когда стало ясно, что цезиевые часы дают лучшие результаты.

Как NBS, так и Национальная физическая лаборатория (NPL) в Великобритании разработали часы с цезиевым лучом в 1950-х годах. Ключевой прорыв был сделан физиком Гарвардского университета Норманом Рамси, который обнаружил, что можно улучшить точность измерений, используя для индукции атомных переходов не один, а два микроволновых импульса. В течение остальной части века цезиевые часы продолжали совершенствоваться и, наряду с атомными часами, использующими другие элементы, становились все более точными и компактными.

В то время секунда определялась в соответствии с астрономическим временем. Известная как эфемерическая секунда, она равнялась 1/31 556 925,9747 тропического года (времени, необходимого Солнцу для возвращения в то же положение на небе) в 1900 году. В период с 1955 по 1958 год учёные NPL сравнили измерения своих цезиевых лучевых часов с эфемеридной секундой, измеренной Военно-морской обсерваторией США путём отслеживания положения Луны по отношению к фоновым звёздам. В августе 1958 года секунда была рассчитана как 9 192 631 770 циклов частоты перехода цезия — то же самое число, которое было бы использовано для нового определения девять лет спустя.

С тех пор атомные часы продолжали совершенствоваться, особенно с разработкой цезиевых фонтанных часов в 1980-х годах. Но к 2006 году их превзошли более новые часы.

Помимо часов в NIST, одни из самых передовых хронометров в мире можно найти в Университете Колорадо в Боулдере, расположенном по соседству в другой лаборатории, которая расширяет границы хронометрии. JILA, совместное предприятие NIST и университета, располагает четырьмя «оптическими решёточными часами», которые входят в число мировых рекордсменов по точности. (Ранее лаборатория называлась Объединённым институтом лабораторной астрофизики, а сейчас известна просто по аббревиатуре).

Эти ультрасовременные приборы размещены в больших прямоугольных ящиках с раздвижными дверцами, которые также служат досками для записей, покрытыми уравнениями и диаграммами. Компоненты мерцают в тусклом свете лаборатории, а лазеры и считывающие устройства пульсируют светом.

Каждые часы работают путём направления двух лазеров друг на друга для создания интерференционной картины, называемой оптической решёткой, сеткой с областями высокой и низкой интенсивности. Облака в форме блинов, состоящие из тысяч нейтральных атомов стронция, задерживаются в частях решётки с высокой интенсивностью и остаются в подвешенном состоянии.

Затем другой лазер вызывает электронный переход в атомах, поднимая внешние электроны в них на целый орбитальный уровень. Это более значительный переход, чем в атомах цезия, где электроны поднимаются только на один «гипертонкий» уровень. Но, как и в цезиевых часах, детекторы ищут фотоны, выделяющиеся при возвращении электронов в исходное состояние, чтобы подтвердить, что лазер имеет правильную частоту для перехода электронов. По сравнению с переходом цезия, который происходит при частоте около девяти миллиардов герц, переход стронция требует гораздо более высокой частоты: 429 228 004 229 873,65 Гц.

Каждые из четырёх часов в лаборатории служат разным целям, измеряя взаимодействия между атомами или воздействия окружающей среды, такие как гравитация, колебания температуры или нестабильные электромагнитные поля, в попытке уменьшить эти источники неопределённости. Оптические часы настолько чувствительны, что малейшее возмущение, даже хлопок двери поблизости, смещает целевую частоту перехода.

Ключевым ограничивающим фактором в оптических решётчатых часах является излучение чёрного тела, говорит Джун Йе, ведущий исследователь лаборатории JILA. Это излучение представляет собой тепловую энергию, выделяемую любым телом с массой только за счёт своей температуры. Чтобы компенсировать этот эффект, Йе и его команда построили новую систему терморегулирования внутри вакуумной камеры одних из часов, что Йе называет «довольно героическим усилием» своих студентов. Этот проект позволил им измерить частоту перехода стронция с систематической погрешностью 8,1 × 10^–19, что является самым точным измерением времени, сделанным когда-либо. Эти часы на основе оптической решётки стронция и другие подобные модели в настоящее время являются одними из ведущих кандидатов на переопределение секунды.

Другие их основные конкуренты называются одноионными часами. Некоторые из лучших примеров можно найти в NIST и в немецкой лаборатории PTB. Этот тип часов удерживает один заряженный ион (в данном случае атом, из которого удалено одно или несколько электронов, чтобы он нёс положительный заряд) в ловушке электромагнитных полей, а затем индуцирует атомный переход с помощью лазера. В настоящее время самые точные из этих часов используют ион алюминия.

Одноионные часы позволяют избежать шума, который световые решётки вносят в систему, говорит Хантеманн, и «обычно имеют меньшую чувствительность к внешним полям», включая поля в эксперименте, а также в окружающей среде. Однако оптические решёточные часы одновременно анализируют тысячи атомов, что повышает их точность.

Хантеманн исследует способы одновременного улавливания и измерения нескольких ионов, таких как ионы стронция и иттербия, в одних и тех же часах. Такой подход позволил бы учёным одновременно исследовать два разных атомных перехода, а часы могли бы быстрее усреднять измерения частоты, хотя и не так быстро, как часы с оптической решёткой.

В течение последних двух десятилетий ионные часы и часы с оптической решёткой попеременно устанавливали рекорды точности. Они даже продемонстрировали, как время течёт быстрее на больших высотах — предсказание общей теории относительности Эйнштейна, которое показало, что время замедляется или растягивается в зависимости от расстояния до больших масс (в данном случае, до Земли). В эксперименте 2022 года части оптических решёточных часов на стронции в JILA, разделённые всего на миллиметр по высоте, измерили разницу во времени порядка 0,0000000000000000001 (10^–19). Это крошечное отклонение было бы слишком малым, чтобы его могли обнаружить цезиевые часы.

Если учёные решат пересмотреть определение секунды, им необходимо будет выбрать не только часы, но и атомный переход: атомов стронция, иттербия, ионов алюминия или что-то ещё. Одним из возможных решений является определение, основанное не на одном атомном переходе, а на среднем значении всех переходов от различных типов оптических часов. Если для переопределения секунды будет использоваться набор часов, каждый из которых имеет свой статистический вес, то в будущем к определению можно будет добавлять новые часы по мере необходимости.

В прошлом году Йе и его команда продемонстрировали жизнеспособность ядерных часов на основе тория. В часах этого типа используется ядерный переход — изменение квантового состояния атомных ядер — а не электронный переход. Поскольку ядра менее чувствительны к внешним воздействиям, чем электроны, ядерные часы могут стать даже более точными, чем оптические, после усовершенствования технологии.

Если второе определение не будет пересмотрено в 2030 году, учёные могут повторить попытку в 2034 и 2038 годах на следующих двух заседаниях Генеральной конференции по мерам и весам. Новое определение не изменит многое, если вообще что-то изменит, для большинства людей, но в конечном итоге оно неизбежно приведёт к технологическим достижениям. Исследователи уже придумывают такие применения, как квантовые сети связи или модернизированные спутники GPS, которые смогут определять координаты любого места на Земле с точностью до сантиметра. Другие варианты использования только начинают появляться.

Толкая часы к новым свершениям, учёные могут сделать больше, чем просто переопределить время — они могут переопределить наше понимание Вселенной. Сверхчувствительные часы, способные улавливать мельчайшие изменения в ходе времени, как показано в эксперименте по замедлению времени, могут быть использованы для обнаружения гравитационных волн, проходящих через Землю в результате массивных катаклизмов в космосе. Отображая гравитационные искажения пространства-времени с беспрецедентной точностью, такие часы также могут быть использованы для изучения тёмной материи — недостающей массы, которая, как считается, повсеместно присутствует в космосе, — а также для изучения взаимодействия гравитации с квантовой теорией.

Такие усилия могут даже переписать наше понимание самого времени, которое всегда было более сложным понятием в физике, чем в практической жизни. «Основные классические законы гласят, что между прошлым и будущим нет внутренней разницы, как нет и внутреннего направления движения от прошлого к будущему», — говорит Дженан Исмаэль, философ науки из Университета Джона Хопкинса.

В любом случае, теперь, когда у нас есть часы, которые опережают буквально определение секунды, многие учёные говорят, что путь вперёд очевиден: мы должны улучшить определение времени просто потому, что мы можем это сделать. «Как и в случае с любой новой идеей в науке, даже если не совсем ясно, кому нужны более точные измерения, когда появляются более точные измерения, то и применение им найдётся», — говорит Патриция Тавелла, директор отдела времени в BIPM, организации, которая определяет Международную систему единиц. «Мы можем сделать лучше», — говорит она о текущей секунде. «Давайте сделаем лучше».