Учёные из Массачусетского технологического института разработали, по их словам, самые точные атомные часы в мире. Исследователи считают, что такие часы придутся кстати при изучении влияния гравитации на течение времени и в поиске тёмной материи, которая, предположительно, составляет значимую часть Вселенной.

Ничего не отображает течения времени лучше бьющегося сердца атома, однако и точность измерения колебаний ядра ограничена законами квантовой механики. Исследователи из МТИ попытались преодолеть эту расплывчатость при помощи экспериментальной архитектуры часов. Как и самые простые по принципу действия атомные часы, экспериментальная установка американских физиков состоит из двух зеркал, закреплённых друг напротив друга. Между ними сквозь «облако» из нескольких сот атомов стабильного изотопа иттербия-171 движется поток фотонов (лазер). Измерение времени внутри таких часов происходит путём фиксации колебаний атомов иттербия-171 при поглощении световой энергии. Выбор в пользу данного изотопа был обусловлен примерно в 100 тысяч раз более высокой частотой вибраций их ядер, чем в атомах цезия-133, который принято считать эталоном для измерений времени. Они колеблются с той же частотой, что и видимый свет – фотоны, что делает экспериментальные атомные часы более точными.

Впрочем, даже при использовании атомов с более высокой частотой колебаний точность атомных часов не устоит перед ограничениями стандартного квантового предела. Если сравнить атомные часы с механическими, то роль маятника в них выполняют колебания атомов, и каждый «тик» часов соответствует временному промежутку, необходимому для прохождения фотонами пути между зеркалами. К примеру, если зеркала часов располагаются на расстоянии 15 см друг от друга, то полный путь туда-обратно – «тик» фотонов занимает миллиардную долю секунды, значит один миллиард тиков будет соответствовать одной секунде. Стандартный квантовый предел по сути «смазывает» движения квантового маятника, не позволяя с точностью обозначить границы начала и остановки колебания атомов. В чём же смысл быстро «тикающих» часов, если нет возможности измерить эту скорость.

Без разрешения этой проблемы не будет толку от замены цезия-133 иттербием-171, поскольку «квантовый беспорядок» атомов всё равно жёстко ограничивает пределы точности часов. Учёные посчитали, что подобные ограничения возможно переступить, если одновременно регистрировать колебания сотен атомов, заключённых в своеобразную решётку. Таким образом, экспериментальные атомные часы измеряют время не на основе случайных колебаний атомов: важную роль в их точности играет квантовая запутанность атомов иттербия-171. При подобном упорядочивании объектов их квантовые состояния оказываются взаимозависимыми. То есть система из нескольких сот атомов иттербия-171 ведёт себя как единое целое и одинаково реагирует на взаимодействие с фотонами.

Такая синхронность позволила втрое увеличить точность атомных часов в сравнении с аналогами, ограниченными стандартным квантовым пределом. Возможно, со стороны подобные изменения кажутся незначительными, однако даже такое ускорение в измерении времени позволит учёным приблизиться к понимаю того, как силы Вселенной влияют на течение времени. По словам физиков, если бы эти часы существовали с момента зарождения Вселенной, то есть на протяжении 14+ миллиардов лет, то до наших дней они отстали бы всего лишь на 100 миллисекунд (1/10 секунды). Их точность пригодится при поиске ответов на «невозможные» вопросы, например, в поиске пределов действия общей теории относительности и начала «Новой физики» за пределами стандартной модели.