Что такое секунда? И так ли она стабильна, как мы привыкли думать?
В международной системе единиц измерения секунда определяется как промежуток времени, в течение которого атом цезия-133 (133Cs) совершает 9 192 631 770 переходов между двумя сверхтонкими подуровнями при температуре порядка 120 мкК.
Как измерение происходит на практике? Находящийся в атомных часах счетчик фиксирует микроволновый сигнал, испускаемый электронами при изменении уровня энергии. Когда атомы цезия «вибрируют» заданное количество раз, прибор принимает это значение за секунду.
Почему атомные, а не кварцевые?
Хорошие бытовые кварцевые часы работают с точностью ±15 секунд в месяц. Такая погрешность не соответствует требованиям для создания действительно надежной системы геопозиционирования и других технологических разработок.
Действующие атомные часы, измеряющие время с точностью на уровне 10-17 , дают погрешность всего в 1 секунду за 3 миллиарда лет. Благодаря этому становится возможным определять расстояние от Земли до Солнца с точностью до 0.01 диаметра человеческого волоса. Также атомные часы могут быть использованы для решения фундаментальных и прикладных задач. К фундаментальным задачам физики относятся проверка общей теории относительности Эйнштейна и Лоренц-инвариантности, определение дрейфа фундаментальных физических констант (постоянная Планка, постоянная тонкой структуры), детектирование темной материи. К прикладным задачам можно отнести улучшение точности глобального геопозиционирования (GPS, ГЛОНАСС), построение гравитационной карты Земли, а также решения задач геодезии.
А почему именно ториевые?
Принцип действия ториевых часов, разработанных в МИФИ, основан на отсчете периодов времени с помощью радиоактивного изотопа торий-229. Измеряется в данном случае энергия, излученная ядром тория при его переходе из изомерного в основное состояние.
Преимущество этих часов в том, что ядро, находясь внутри атома, защищено «электронной шубой», то есть вращающимися вокруг ядра электронами, и, соответственно, менее подвержено влиянию внешних факторов. Это делает ядерные часы более надежными, чем атомные часы на базе ионов или атомах в ловушках.
В теории, точное измерение энергии изомерного перехода позволит перейти к определению времени с точностью до 10 в минус двадцатой степени. Однако существует ряд фундаментальных физических ограничений (например, обусловленных излучением абсолютно черного тела), который приводит к существованию предела стабильности частоты перехода на уровне 10 в минус восемнадцатой степени. Для сравнения, сейчас время измеряется с точностью до 10 в минус семнадцатой степени.
Повышение степени точности измерения времени всего на один порядок - до 10 в минус 18ой - позволит совершить целый ряд прорывов в области технологии, науки и экономики.
В МИФИ разрабатываются ториевые ядерные часы с применением следующих технологий:
- Использование методов лазерной спектроскопии - лазерное охлаждение ионов тория в квадрупольной ловушке Пауля
- Имплантация ядер тория в широкозонные кристаллы с последующем возбуждением уникального (~8 эВ) изомерного ядерного перехода.
На этих системах проводятся исследования для создания более точной системы глобального геопозиционирования, а также для исследования зависимости времени от гравитации (при увеличении плотности материи время замедляется и наоборот).
