Надточний атомний годинник був створені дослідниками з Колорадського університету в Боулдері на чолі з доктором Цзюнь Е (Jun Ye) для Національного інституту стандартів і технологій (NIST). Вони засновані на енергетичних переходах в атомах стронцію і перевершують існуючий "атомний стандарт" за всіма ключовими параметрами.
Прототип нових атомних годин на атомах стронцію (фото: nist.gov).
Запитайте кілька людей про те, що таке час, і ви отримаєте безліч різних відповідей. Більшість будуть солідарні лише в одному: у них немає часу думати про це. Тим часом в основі всіх типів сучасного взаємодії людей лежить саме точна синхронізація різних процесів.
Рух міжміського транспорту і авіаперельоти, банківські транзакції, комп'ютерні мережі, обчислення швидкості і визначення місця розташування все це і багато іншого було б неможливо без еталона часу.
Наручний кварцові годинники вважаються досить надійними. Для побутових цілей цілком припустимі відхилення близько п'ятнадцяти секунд в місяць, проте інженерам і фізикам потрібно на порядки вища точність.
Перші атомні (точніше, молекулярні) годинники були створені в 1949 році групою Гарольда Лайонса (Harold Lyons). У них коливання кварцового генератора коректувалися по спектральної лінії поглинання аміаку.
Директор Національного бюро стандартів доктор Едвард Кондон (Edward Condon) і доктор Гарольд Лайонс (праворуч) в 1949 році (фото: nist.gov).
Пізніше, в 1955 році, їх замінили більш зручними цезієвими. В системі одиниць СІ значення секунди до сих пір прив'язане до числа періодів ЕМІ при переході атомів цезію-133 між двома енергетичними рівнями. Такий вибір був зроблений тому, що на цей процес не впливає більшість зовнішніх впливів. Іншими словами, такий годинник практично неможливо "збити".
Саме поява "атомного стандарту" зробило можливим створення у другій половині XX століття телекомунікаційних мереж, виконання експериментів з вимірювання параметрів частинок, розвиток ядерної та квантової фізики, здійснення космічних польотів і побудова систем глобальної навігації.
Новий годинник мають точність на рівні 6,4 × 10-18 - тобто вони не відстануть і не підуть вперед ні на секунду в найближчі п'ять мільярдів років. Попередній рекордсмен - швейцарська схема FOCS 1 - гарантувала секундну точність ходу в межах тридцяти мільйонів років.
Звичайно, нас цікавить не віддалена перспектива в мільйони і мільярди років, а менші відхилення в короткостроковий період і більш висока точність синхронізації для поточних завдань. До того ж для зчитування показань нового годинника потрібно в рази менше часу, ніж коли б то не було.
В останні роки основою для виконання надточних вимірювань стала можливість управляти квантовими станами окремих атомів і фотонів. Створені раніше оптичні генератори тактових імпульсів на базі одиничних іонів демонстрували найнижчу систематичну невизначеність на будь-який еталонної частоті. Однак генератори на базі решітки з атомів стронцію виявилися ще точніше.
Кілька тисяч охолоджених до наднизьких температур атомів стронцію в газовій фазі утримуються променем лазера. У них виникають зміни енергетичного стану з частотою 430 трильйонів разів в секунду. Ці осциляції служать в якості еталону точного часу.
Атоми стронцію в промені лазера (зображення: J. Ye, BJ Bloom et al. / Nature).
Притому що створені годинник вже володіють рекордними характеристиками за всю історію, їх автори залишилися не цілком задоволені результатом: «У нас вже є плани, як зробити їх точність і стабільність ще вище. Можна очікувати нову версію наших годин протягом найближчих п'яти-десяти років ».
Результати багатьох експериментів і практичних завдань сьогодні залежать від точності вимірювання часу. Фатальною може виявитися помилка в нано- та навіть фемтосекунди. Наприклад, фізикам з CERN знадобилося півроку, щоб знайти помилку у вимірі часу і спростувати виявлення групою OPERA нейтрино, нібито рухалися швидше за швидкість світла у вакуумі.