Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2013 № 10

отдельного атома состоит в том, что его несколько проще оградить от внешних электромагнитных воздействий, которые влияют на частоту колебаний. Недостаток же такого подхода — в чрезвычайной трудности измерения высокочастотных вибраций единственной микрочастицы.

Многоатомные часы дают более мощный сигнал, но менее точны из-за помех, создаваемых электромагнитными полями самих атомов.

Так вот, созданные в Токийском университете стронциевые «ходики» объединили преимущества двух подходов — здесь задействовано шесть лазерных лучей, благодаря которым электромагнитные волны атомов оказываются защищены от постороннего влияния. При этом измеряется сигнал каждого из атомов, а затем все показания суммируются. Таким образом, сигнал не только усиливается, но и исключаются ошибки случайных отклонений; ведь в итоге за конечный результат принимается среднее арифметическое многих значений.

Следующий шаг сделали недавно исследователи из NIST (Национального института стандартов и технологий США). В начале лета 2013 года они представили пару наиболее точных часов из всех, когда-либо построенных человечеством. Эти «близнецы» способны измерить возраст Вселенной с точностью до секунды.

Так выглядят самые точные атомные часы в мире, дающие погрешность на одну секунду в 3,7 млрд. лет.

Миниатюрные цезиевые атомные часы, созданные в 2011 году, используются в навигационных устройствах.

Конструкторам не только удалось разместить такие часы в объеме, сравнимом с коробкой для детской обуви, но и решить две проблемы. Первая из них связана с эффектом Доплера, возникающим при малейшем движении атома и вызывающим смещение измеренной частоты. Вторая — с эффектом Штарка, проявляющимся в изменении разницы между энергиями различных состояний атома (а значит, и частоты фотона, излучаемого при переходе) под действием электрического поля.

Чтобы зафиксировать атомы в пространстве и минимизировать влияние эффекта Доплера, в часах была использована оптическая решетка — потенциальные «ячейки» в зоне пересечения стоячих волн, распространяющихся в перпендикулярных направлениях.

Но в присутствии электромагнитного излучения, необходимого для создания лазерной решетки, неизбежно возникает штарковское смещение, о котором говорилось выше. Чтобы оно не оказывало влияния на результаты эксперимента, ученые использовали для измерений атомы иттербия, известного тем, что у него энергетическая разница между различными состояниями электронов одинакова, поэтому смещение легко учитывается и не оказывает влияния на конечный результат измерений. Причем поскольку в оптической решетке можно поместить множество атомов иттербия, исследователи измеряют частоты излучения нескольких из них, чтобы увеличить точность, исключить случайную ошибку.

Для чего нужны такие часы? Понятно, что людям сверхточность в их повседневных делах попросту не нужна. Зато такие суперхронометры могут быть использованы при проверке основополагающих физических теорий, например, для измерения гравитационного замедления времени. Созданные ранее модели часов «ловили» этот эффект при смещении точек измерения, расположенных в гравитационном поле Земли, на многие метры или даже километры по вертикали. Часы, созданные физиками из NIST, способны зафиксировать замедление времени при подъеме или спуске уже на 1 см!

Сейчас специалисты NASA готовятся отправить новые атомные часы в космос. Для начала их поместят на спутник, который будет запущен в 2015 году. В течение 12 месяцев ученые будут изучать их поведение в условиях глубокого вакуума и космических излучений.

С помощью новых суперчасов специалисты NASA надеются повысить точность управления и межпланетными космическими аппаратами. Ныне для этой цели используют атомные часы, находящиеся на Земле. Из центра управления отправляют радиосигнал на космический аппарат, который анализирует сигнал и ретранслирует его обратно на Землю. Используя временные метки на сигнале, ученые определяют, сколько времени требуется для передачи сигнала туда и обратно, что дает возможность определить --">