Атомные часы нового поколения способны улавливать гравитационные волны

Новости МирТесен

Атомные часы, основанные на атомах иттербия, захваченных в оптических решетках, были разработаны физиками из Национального института стандартов и технологий США. Это позволит им, как ожидается, исследовать некоторые из самых загадочных явлений, наблюдаемых во Вселенной.

В Национальном институте стандартов и технологий США (NIST) экспериментальные атомные часы продемонстрировали три новых достижения. Благодаря своей высокой точности они способны не только обеспечивать точное измерение времени и навигацию, но и регистрировать слабые сигналы из ранней Вселенной, гравитационные волны и, возможно, даже темную материю. Описание этой работы представлено в статье опубликована в журнале Nature.

Иттербий захватывается в оптические решетки, сформированные лазерными лучами, удерживая до тысячи атомов. Атомы тикают, совершают колебательные движения или переходят между двумя энергетическими уровнями. Специалисты из NIST достигли рекордных значений по трем ключевым параметрам: систематическая неопределенность, стабильность и воспроизводимость.

Показатель систематической неопределенности отражает степень соответствия колебаний часов естественным вибрациям — то есть частоте — атомов. Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) установили, что каждый прибор функционирует с частотой, совпадающей с природной, с допустимым отклонением не более 1,4 части на 10. ¹⁸Это составляет приблизительно одну миллиардную от одной миллиардной.

Стабильность определяется частотой колебаний часов меняетсяв течение заданного промежутка времени и достигает значения в 3,2 части на 10 ¹⁹ (или 0,00000000000000000032) за день.

Степень воспроизводимости определяется тем, насколько синхронно работают два устройства при использовании одинаковой частоты. Сравнительный анализ 10 пар часов показал, что разница между ними не превышает одной миллиардной от одной миллиардной.

В рамках Общей теории относительности атомные часы демонстрируют замедление хода, что выражается в снижении частоты колебаний атомов. При увеличении гравитационного воздействия наблюдается смещение электромагнитного спектра в красную область, что означает более медленное течение времени на меньших высотах.

Несмотря на негативное влияние красного смещения на точность отсчета времени, эта особенность позволяет проводить высокоточное измерение гравитации. Благодаря повышенной чувствительности, эти часы способны фиксировать гравитационные искажения пространства-времени с беспрецедентной точностью. Это можно применитьЭто открывает возможности для релятивистской геодезии, направленной на изучение формы Земли под воздействием гравитации, регистрации сигналов из ранних этапов развития Вселенной, включая гравитационные волны, и даже исследования темной материи, о природе которой до сих пор практически ничего не известно.