От линейки, измеряющей размеры атома, до часов, идущих с точностью до 642 121 496 772 646-й доли секунды! Гиктавр исследует мир предельно точных инструментов.

САМЫЕ ТОЧНЫЕ ЧАСЫ

Пришло время для нового поколения сверхточных атомных хронометров.

Самые точные часы

ПРЕДСТАВЬТЕ СЕБЕ ЧАСЫ настолько точные, что если бы их включили в момент рождения Вселенной 13,7 млрд лет назад, то к сегодняшнему дню они сбились бы всего на одну секунду. Таков новейший стандарт точности, которого уже скоро смогут достичь так называемые оптические атомные часы.

В современных атомных часах, ставших стандартом точного времени, заряженные атомы (ионы) плавают в «ловушках», удерживаемые электромагнитными полями. Затем на них воздействуют лучом света, заставляя электроны в ионах «перепрыгивать» из ниж-него в более высокое энергетическое состояние. Эти прыжки происходят в строго определенном ритме и играют в атомных часах роль маятника. Чем выше частота колебаний маятника, тем точнее можно измерять интервалы времени. Официальный британский стандарт точного времени сейчас поддерживается Национальной физической лабораторией (National Physical Laboratory, NPL) в Мидлсексе. В нем используются атомы цезия-133, электроны которого совершают «прыжки» с поразительной частотой — 9192 631 770 раз в секунду.

Но физики уже присматриваются к ряду других атомов, которые дадут возможность получать еще более частые отсчеты. В NPL ионы иттербия (уже применяемые в портативных рентгеновских аппаратах) помещают в ловушки, удерживая их с помощью лазеров. Предварительные разультаты работ внушают оптимизм. В 2012 году исследователи из NPL показали, что иттербиевые атомные часы будут давать отсчеты 642 121 496 772 646 раз в секунду — с частотой почти на пять порядков выше, чем цезиевые. «Оптические часы претендуют на абсолютный рекорд точности», — говорит профессор Патрик Джилл (Patrick Gill) из NPL.

30 июня 2012 года ко всемирному времени добавили «високосную секунду», учитывающую, что вращение Земли немного замедлилось То есть солнечное время, определяемое по вращению планеты, стало рассинхронизироваться со всемирным временным стандартом.

Атомные часы используются в спутниковой навигации, так что улучшение хронометров повысит точность этих систем позиционирования. Чувствительность к внешним воздействиям тоже может найти применение. Например, портативные оптические часы можно использовать для поиска полезных ископаемых. Темп их хода может слегка меняться от места к месту под влиянием вариаций земного тяготения, вызванных различиями в пористости горных пород, которую всегда анализируют при поисках нефти.

Эти атомные оптические часы Национальной физической лаборатории в Мидлсексе дают 9 192 631 770 отсчетов в секунду

САМЫЕ ТОЧНЫЕ ВЕСЫ

Этот прибор в 5 млн раз точнее ваших весов для фитнеса.

самые точные весы в мире

В хранилище Международного бюро мер и весов в Севре (Франция) находится цилиндр из платино-иридиевого сплава, по-французски Le Grand К, — официальный стандарт килограмма. Его вес по определению равен 1 кг и служит для калибровки весов во всем мире. Но этот вес меняется относительно таких же цилиндров, хранящихся в других местах. Никто не знает почему. По одной из теорий, идет постепенная дегазация цилиндра, который был отлит в 1880-х годах. Для официального всемирного эталона такое недопустимо.

Поэтому важно определить килограмм через подлинно фундаментальные постоянные, величина которых определилась в момент рождения Вселенной и остается неизменной в пространстве и времени, как, например, неизменна скорость света в вакууме.

Именно для этого и предназначены ватт-весы — невероятно чувствительный инструмент, способный выразить килограмм через управляющие Вселенной фундаментальные постоянные. Идея ватт-весов довольно проста. Поместите килограммовую массу на одну чашу, а затем измерьте силу, которую надо приложить к другой чаше, чтобы восстановить равновесие. Используя для приложения уравновешивающей силы высокоточные электромагнитные катушки, можно выразить килограмм через значение силы, которое не меняется со временем.

Ватт-весы так чувствительны к магнитным полям, что реагируют и на движение электричек в нескольких километрах, и на ветер, раскачивающий деревья и колеблющий почву. Все эти явления должны быть скомпенсированы в ходе эксперимента. 

Но, во-первых, вес — не то же, что масса, это произведение массы на ускорение свободного падения. Для вычисления массы надо выполнить точные измерения ускорения. Что хуже — электромагнитные силы сложным образом меняются внутри ватт-весов и должны измеряться с помощью тонких квантовых эффектов. Уже разработаны измерительные приемы, позволяющие обойти эти проблемы, и получена формула, выражающая массу килограмма через постоянную Планка — фундаментальную константу, управляющую использованным в измерении квантовым эффектом. Ватт-весы вроде имеющихся в канадском Национальном исследовательском совете (National Research Council, NRC) смогут измерить килограмм с точностью около 0,00000002 кг. Для сравнения: обычные весы на кухне дают точность лишь до 0,001 кг. «Использование постоянной Планка даст четко определенный эталон массы, не зависящий от куска металла, который всё время меняет свой вес», — поясняет доктор Дэйв Инглис (Dave Inglis), руководитель разработки ватт-весов в NRC.

САМЫЙ ТОЧНЫЙ ТЕРМОМЕТР

Как скорость движения атомов будет использоваться для определения температуры.

самый точный научный термометр в мире

Невооруженному глазу эта форма кажется совершенной сферой — медная поверхность настолько гладкая, что неровности можно

увидеть лишь под микроскопом. Это один из элементов эксперимента, который, вероятно, приведет к полному пересмотру методов измерения температуры и позволит получать точные данные для экстремально высоких и предельно низких температур.

С 1954 года температуру определяют через тройную точку воды (сочетание давления и температуры, при которых Н20 существует одновременно в жидкой, газообразной и твердой фазах). Тройной точке соответствует температура 273,16 градуса по шкале Кельвина, или 0,01 °С. Наименьшая возможная температура — 0 К, или абсолютный нуль. Градусы Кельвина — простая шкала, построенная на данных двух точках.

Но при экстремальных температурах — в миллионы кельвинов или вблизи абсолютного нуля — система оказывается слишком грубой и перестает работать. Если надо измерить температуру ядерного взрыва, то возникают затруднения. Поэтому так остро стоит вопрос об определении постоянной Больцмана, связывающей температуру с интенсивностью движения атомов или молекул в жидкости или газе. Если знать постоянную Больцмана, можно, измеряя движения атомов в объекте, определить его температуру. У нас 

есть приблизительные оценки этой постоянной, но физикам требуется высокоточное значение, которое можно использовать как основу системы температурных измерений.

В Национальной физической лаборатории в Мидлсексе (Великобритания) ищут постоянную Больцмана, измеряя скорости атомов газа аргона при определенной температуре. В медную сферу, содержащую газ, направляют звук и по его отражению рассчитывают скорости движения атомов. Качество поверхности сферы необходимо для точного расчета объема газа и поэтому играет ключевую роль для этих измерений.

САМАЯ ТОЧНАЯ ЛИНЕЙКА

Поразительное явление позволит измерять расстояния с точностью до триллионных долей метра.

Для изготовления прецизионных лопаток реактивных двигателей используют лазерную интерферометрию — очень точный способ измерения расстояний. Но вскоре мировым лидером, вероятно, станет новый метод — атомная интерферометрия.

В лазерной интерферометрии луч света расщепляется на два, один отражается зеркалом в детектор, другой идет на объект измерения, где отражается от зеркала, тоже попадая в детектор. Путь одного луча фиксирован, а другой проходит до объекта дополнительное расстояние. Сходясь в детекторе, лучи интерферируют. Интерференционная картина позволяет определить размер объекта.

Атомная интерферометрия использует тот же принцип — интерференция показывает размер объекта. Но в этом методе два регистрируемых луча состоят из одних атомов, что оказывается возможным за счет квантовых явлений.

Атомы могут вести себя подобно волнам, если их охладить почти до абсолютного нуля, облучая лазером. С помощью других лазеров эти атомы переводят в состояние суперпозиции, где они находятся в двух местах одновременно, двигаясь по разным траекториям. Даже если длина маршрута, проходимого атомом по одному пути, отличается от длины другого лишь на один пикометр (триллионную долю метра) за счет того, что на другом пути был измеряемый объект, это различие можно зафиксировать.

Группа физиков из Центра космических полетов NASA им. Годдарда и Стэнфордского университета (США) разрабатывают атомный интерферометр, где лазеры облучают атомы рубидия, создавая из них измерительные пучки. Группа надеется детектировать гравитационные волны, порождаемые слияниями массивных объектов, которые создают своего рода рябь в пространстве-времени и вызывают едва заметные сдвиги предметов на Земле.

Лазерная гравитационно-волновая обсерватория LIGO в США — самая точная линейка в мире. Она так чувствительна, что ошибка в измерении сверхбольших длин (масштаба Млечного Пути, скажем) составит не более толщины пальца. 

Атомный интерферометр будет состоять из трех космических аппаратов, образующих равносторонний треугольник. Такой интерферометр позволит измерить малейшие смещения аппаратов относительно друг друга, вызываемые гравитационными волнами