Учени са предефинирали самото време, започвайки със секундата

Учените са направили важна стъпка към амбициозната глобална цел за "предефиниране на секундата" до края на това десетилетие. Проучване, публикувано тази седмица, описва как изследователи от шест различни страни едновременно са сравнявали измервания от 10 оптични часовника – усъвършенствана форма на отчитане на времето, която е до 100 пъти по-точна от най-добрите цезиеви часовници, които в момента се използват като световен стандарт.

Измерванията представляват най-голямото координирано сравнение на оптични часовници до момента и значително намаляват несигурността между измерванията, докладвани в предишни проучвания. Това също означава, че оптичните часовници са по-близо от всякога до това да се превърнат в новия стандарт за измерване на времето – промяна, която би могла да има огромен ефект върху всичко – от метеорологията до разбирането ни за фундаменталната физика.

Изследователите казват, че откритията подкрепят "напредъка към предефиниране на секундата и използването на оптични стандарти за международни времеви скали".

Какво представляват оптичните часовници?

Накратко, оптичните часовници са невероятно точни инструменти, които измерват честотата на атомите, след като са били възбудени от лазери. Атомите първо се охлаждат до почти абсолютна нула, след което се използват лазери за откриване на техните вибрации. Тези вибрации се наричат ​​честотни съотношения. Тази точна честота след това съответства на "тиктакането". Учените смятат, че този метод дава много по-точни резултати от цезиевите атомни часовници, които са били световен стандарт през последните пет десетилетия. За контекст, изследователите казват, че оптичният часовник не би спечелил или загубил секунда в продължение на милиарди години. Всъщност, New Scientist изчислява, че ако изчакате четири пъти повече от сегашната възраст на Вселената, оптичният часовник пак ще се отклони с по-малко от минута. Сравнете това с типичен ръчен часовник, който може да се отклони само за няколко месеца.

Рейчъл Годун координира мултиинституционална група изследователи, които едновременно измерват 38 честотни съотношения за десет различни оптични часовника. Кредит: Thilina Senaviratne

Оптичните часовници са невероятно прецизни, но също така са и много сложни. В световен мащаб съществуват само около 100 от тях, до голяма степен защото са трудни за изграждане, експлоатация и поддръжка – освен това са податливи на счупване. Сравняването им един с друг е изключително трудно. Различните часовници измерват честотите на различни видове атоми, всеки със своя уникална честота. Това означава, че единственият начин да се установи последователен, високо прецизен стандарт е директното сравняване на часовниците един с друг. Ето къде се намесват тези най-нови открития.

Изследователи от Финландия, Франция, Германия, Италия, Великобритания и Япония си сътрудничат по европейски проект, наречен ROCIT, за да сравнят 10 различни часовника. Измерванията са проведени в продължение на 45 дни през 2022 г. В миналото сравненията на оптични часовници в по-малък мащаб са разчитали на сателитни връзки за измерване на разликите, но това проучване използва както сателитни връзки, така и оптични кабели. Това е важно, защото позволява по-точни измервания.

"Сравняването на множество часовници едновременно и използването на повече от един вид технология за свързване предоставя много повече информация от предимно по двойки сравненията на часовници, извършвани досега", обяснява старшият учен от метеорологичния изследователски център VTT MIKES Томас Линдвал (Thomas Lindvall).

Оптичните кабели се простират на хиляди километри през Европа, позволявайки на изследователите да свържат честотните изходи на различните часовници. Те отчитат шума на сигнала и други ограничения на инструментите по време на процеса. Общо сравнението доведе до едновременно измерване на 38 различни честотни съотношения, четири от които за първи път. Останалите съотношения са измерени с по-голяма точност от всякога, според изследователите.

Изследователи провеждат обширно координирано сравнение на оптични часовници, включително този оптичен часовник с итербиеви йони в NPL. Експериментът е стъпка към използването на оптични часовници за международно отчитане на времето. Кредит: Andrew Brookes

"Тези измервания предоставят важна информация за това каква работа все още е необходима, за да постигнат оптичните часовници прецизността и надеждността, необходими за използване в международното измерване на времето", заявява старшият изследовател на Националния институт за изследвания на метрологията (INRiM) Марко Пицокаро (Marco Pizzocaro). "Нашият експеримент също така показа как оптичните часовници в цяла Европа могат да бъдат свързани, за да измерват честотните съотношения с най-съвременна прецизност."

По-точните данни биха могли да помогнат за тестване на теорията на относителността

Въпреки че са необходими още сравнения, преди оптичните часовници официално да станат световен стандарт, изследователите са оптимисти за бъдещето. Ползите отиват отвъд просто подобреното отчитане на времето. По-прецизните измервания биха могли да помогнат на учените да тестват теорията на относителността на Алберт Айнщайн с по-голяма точност и да предложат нови прозрения за все още мистериозната концепция за тъмната материя.

Тиктакайки, часовниците освобождават неподредост или ентропия. И кКолкото по-точно тиктака часовникът, толкова повече ентропия освобождава - това е още един интересен аспект на повишаването на точността, който измерат изследователите.

В същото време учените постигат напредък и в разработването на изцяло нови "ядрени часовници", които биха могли да накарат оптиката да изглежда като реликви. Миналата година Националният институт за стандарти и технологии (NIST) заяви, че са близо до завършването на прототип на ядрен часовник, който се фокусира върху вибрациите не от един атом, а от едно ядро.

"Представете си ръчен часовник, който не би загубил нито секунда, дори ако го оставите да работи милиарди години", коментира физикът от NIST и JILA Дзюн Йе (Jun Ye) миналата година след новината за прототипа. "Въпреки че все още не сме съвсем там, това изследване ни доближава до това ниво на прецизност."

Източник: Scientists are redefining time itself, starting with the second, Popular Science

Още по темата

23/02/2022

Физика

Атомни часовници, разделени само с няколко см, измерват различни скорости на времето, както предсказва Айнщайн

29/04/2021

Физика

Точността на часовниците може да е обвързана с ентропията, която създава

10/03/2018

Човекът

Международен спор причинява забавяне на европейските часовници

27/07/2015

Физика

Разкрита е загадката защо махалата на часовниците се люлеят в синхрон