Ученые из Национального университета Сингапура создали оптические атомные часы на основе редчайшего элемента — лютеция. Испытания показали рекордно низкую систематическую неопределенность — около 1,2 × 10⁻¹⁹. Это лучший результат, когда-либо полученный для такого типа часов.
За новой разработкой стоит команда Центра квантовых технологий (Centre for Quantum Technologies) во главе с физиком Мюрреем Барреттом (Murray Barrett). Исследователи работали с лютецием около десяти лет, постепенно выясняя, насколько хорошо этот малоизученный редкоземельный элемент подходит для сверхточного измерения времени.
Почему вообще приходится строить все более точные часы? Потому что современные технологии уже настолько зависят от времени, что даже ничтожные ошибки его измерения становятся заметными. А для фундаментальной физики сверхточные часы превращаются в своеобразные детекторы тончайших изменений гравитации и фундаментальных констант.
Как работает оптическая атомная часы
Обычные механические часы используют маятник или балансир, кварцевые — колебания кристалла, а атомные — переходы электронов между энергетическими состояниями атомов.
В оптических атомных часах лазер воздействует на атом и переводит его электрон между двумя определенными квантовыми состояниями. Частота света, необходимая для такого перехода, чрезвычайно стабильна. Если настроить лазер точно на эту частоту, можно использовать ее в качестве эталона времени.
Принцип напоминает маятник, только вместо массивного груза здесь работает квантовая система. Чем стабильнее ее «колебания» и чем меньше внешние факторы способны на них повлиять, тем точнее часы.
Именно здесь у лютеция появляется важное преимущество.
Почему ученые выбрали лютеций
Лютеций — химический элемент с атомным номером 71, самый тяжелый из лантаноидов. Это один из самых редких редкоземельных элементов и одновременно один из наименее изученных кандидатов для создания атомных часов.
Однако его свойства оказались исключительно удобными для точного измерения времени.
Во-первых, переходы электронов в ионе лютеция гораздо меньше зависят от теплового излучения окружающей среды. Любой предмет, температура которого выше абсолютного нуля, испускает электромагнитное излучение. Даже лабораторное оборудование при комнатной температуре создает слабое тепловое поле, способное немного изменить энергетические уровни атомов.
Для сверхточных часов «немного» — уже проблема.
Лютеций практически не реагирует на этот фактор, а также сравнительно мало чувствителен к внешним магнитным полям. Благодаря этому уменьшается количество поправок, которые приходится учитывать при определении частоты атомного перехода.
Есть и еще одно преимущество: частота рабочего перехода лютеция примерно в 10 000 раз выше частоты, используемой в традиционных цезиевых атомных часах. Более высокая частота позволяет получить очень точную временную шкалу.
Рекордная точность
Чтобы проверить возможности новой технологии, исследователи построили двое независимых лютециевых часов и сравнили их показания.
Это принципиально важно. Если у вас есть только одни часы, невозможно полностью исключить вероятность того, что именно они систематически ошибаются. Два независимых устройства позволяют проверить воспроизводимость результата.
После продолжительных измерений исследователи получили систематическую неопределенность около 1,2 × 10⁻¹⁹. Иными словами, потенциальное относительное отклонение измеряемой частоты составляет примерно одну десятимиллиардную от одной миллиардной.
Для сравнения: ранее в 2026 году исследователи Китайской академии наук сообщили о результате 4,4 × 10⁻¹⁹ для часов на основе ионов кальция. Таким образом, лютециевая система заметно превосходит этот показатель.
Однако важна оговорка: речь идет именно о систематической неопределенности, а не о том, что часы буквально «ошибаются на одну секунду за невероятное количество лет». Систематическая неопределенность характеризует предел точности, задаваемый потенциальными постоянными смещениями измерения.
Когда гравитация начинает мешать часам
На таком уровне точности сама Земля становится источником измерительных проблем.
Согласно общей теории относительности, время идет немного по-разному на разных высотах в гравитационном поле. Чем дальше часы находятся от центра Земли, тем немного быстрее они идут.
В повседневной жизни этот эффект совершенно незаметен. Но атомные часы XXI века настолько чувствительны, что способны его регистрировать при разнице высот всего в несколько миллиметров.
Представьте две одинаковые часы на лабораторном столе. Если одни находятся всего на несколько миллиметров выше других, для сверхточной системы это уже может иметь значение. Именно поэтому при сравнении двух лютециевых часов исследователям приходилось учитывать их положение относительно гравитационного поля Земли.
И эта особенность превращает атомные часы из простого эталона времени в научный инструмент.
Зачем нужны настолько точные часы
Сверхточные часы позволяют проверять фундаментальные физические теории. В частности, их можно использовать для изучения гравитации и поиска чрезвычайно слабых изменений фундаментальных физических констант.
Такие эксперименты способны помочь исследовать границу между общей теорией относительности и квантовой механикой — двумя теориями, которые прекрасно описывают свои области применимости, но до сих пор не объединены в единую физическую картину.
Есть и более практические задачи. Атомные часы лежат в основе спутниковой навигации, телекоммуникационных систем и синхронизации энергетических сетей. Чем точнее становится эталон времени, тем более чувствительными могут быть системы позиционирования и измерения.
В перспективе сверхточные часы также могут использоваться как своего рода гравитационные датчики. Изменение частоты часов позволит определять крошечные различия в гравитационном потенциале и, например, измерять высоту с чрезвычайной точностью.
Секунду могут определить заново
У нового рекорда есть еще один важный контекст. Сегодня международная система единиц определяет секунду через частоту перехода в атоме цезия-133: одна секунда соответствует 9 192 631 770 периодам определенного сверхтонкого перехода.
Это определение используется с 1967 года.
Но оптические атомные часы уже существенно превосходят цезиевые стандарты по точности. Поэтому международное научное сообщество рассматривает возможность перейти к новому определению секунды на основе оптических часов. Международная конференция по мерам и весам в 2022 году официально поддержала работу в этом направлении.
Предполагается, что соответствующие предложения будут обсуждаться в 2026 году, а формальное решение о возможном переопределении секунды может быть принято не ранее 2030 года.
И здесь возникает любопытный парадокс. Лютециевые часы уже продемонстрировали рекордную точность, однако для нового международного эталона одной рекордной установки недостаточно.
Чтобы технология получила шанс стать основой новой секунды, ее необходимо независимо воспроизвести в нескольких научных центрах по всему миру. А пока команда Барретта остается, насколько известно исследователям, единственной группой, которая работает с лютецием как с эталоном времени.
Следующий шаг — сделать часы переносными
Сейчас лютециевые часы представляют собой сложную лабораторную установку. Следующая задача исследователей — уменьшить систему до размеров, позволяющих перевозить ее между лабораториями.
Это необходимо не только ради удобства. Переносные атомные часы позволят напрямую сравнивать их работу в разных научных центрах и проверять, сохраняют ли они рекордную точность в реальных условиях.
Команда также рассматривает возможность использовать сразу несколько ионов лютеция вместо одного. Большое количество атомов позволит повысить стабильность измерений: случайные ошибки будут усредняться быстрее.
Похоже, гонка за идеальными часами далека от завершения. Всего несколько десятилетий назад атомные стандарты казались вершиной достижимой точности. Теперь они способны фиксировать влияние гравитации на расстояниях в миллиметры и становятся инструментом для поиска новых физических эффектов.
Возможно, в будущем вопрос будет звучать уже не «насколько точно мы умеем измерять секунду?», а «что нового о Вселенной можно узнать благодаря тому, что мы научились измерять ее с такой точностью?».
