Когда пробьют ядерные часы: найден элемент, который совершит революцию в исчислении секунды

Обычному пользователю наручных часов, как мы с вами, достаточно исчисления времени с точностью до минуты. То есть, нам для того, чтобы не опаздывать на работу, хватает обычных механических часов. Так бы человечество и дальше  довольствовалось стандартом в виде обычного маятника, если бы  не появились механизмы, нуждающиеся в более точной сверке, к примеру, навигационные спутники, требующие точности на уровне наносекунд. Потому были разработаны атомные часы – прибор, в котором в качестве периодического процесса используются периоды изменения состояния атома. В 1967 году все страны мира признали эталоном времени атомы цезия-133. Этот стандарт действует и по сей день: 1 секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения в атомах цезия.

Атомные часы важны в определении положения космических аппаратов, самолётов, подводных лодок и автомобилей. На атомный стандарт равняются все телекоммуникационные компании, включая станции мобильной связи и службы точного времени.

В России формирование единицы секунды и национальной шкалы времени происходит в лаборатории измерительно-вычислительных систем и комплексов Государственного первичного эталона времени и частоты, который располагается во  ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений. 

Таинство воспроизведения единицы времени происходит здесь на цезиевых атомных часах фонтанного типа. Словно в настоящем водяном фонтане охлажденные атомы цезия подбрасываются в них на двухметровую высоту, там регистрируются, после чего снова летят вниз. Так рождается современная секунда. Погрешность в подсчете периодов атома цезия составляет 1,2 на 10 в минус 16 степени. Такая же погрешность – у эталонов секунды всех ведущих стран мира.

Этот стандарт позволяет сегодня спутниковым навигационным группировкам обеспечивать точность местоположения пользователя до метров. Но ряд стран, и наша в том числе, уже работают над усовершенствованием атомных часов, пытаясь довести точность позиционирования до дециметров. Так называемые стронциевые атомные часы позволяют достигать точности расчета секунды до 10 в минус 18 степени, что более чем на порядок отличается от существующего международного стандарта. В стронции фиксируется другой тип излучения – оптический.

 Такие часы, установленные на спутниках, позволят определять положение объекта на Земле с точностью до сантиметров! 

То есть, не за горами время, когда принятый международный стандарт, определяющий «размер» секунды по цезию, перейдет на оптическое излучение атомов стронция. А может, сразу – на ядра тория?

 Что придет на смену стронцию

– Сегодня ученые учитывают все факторы, которые влияют на атом, – говорит директор Физического института им Лебедева РАН Николай Колачевский. – Но на точность таких часов все равно воздействует окружающее пространство. Система, в которой все это располагается, – довольно сложная и хрупкая. Представьте: атомы захватываются лазерными пучками, охлаждаются, подбрасываются вверх, потом опять летят вниз...

  Давнишняя мечта метрологов — придумать что-нибудь по точности, сопоставимое с лучшими атомными часами, но чтобы работали они более надежно, к примеру, как часы в смартфоне, невзирая на тряску или скачки температур. 

– То есть, мечта – большие часы фонтанного типа «упаковать» в гаджет?

– Можно сказать и так. В моем и вашем телефонах, к примеру, есть кварцевый осциллятор – твердое тело, которое генерирует колебания с хорошей точностью, но не дотягивающей до точности атомных часов. Увеличить точность мешает, например, изменение температуры кварцевого кристалла. В свою очередь, попытка внедрить атомы цезия в тот же кварц обречена на провал: в твердом теле атомы очень сильно взаимодействуют между собой и их электрическое поле не позволяет сделать точные часы. А как было бы удобно работать с маленьким твердым кристаллом, а не с атомным фонтаном: кристалл можно запускать в космос, возить на автомобиле.

  Лет 30 назад была высказана идея (можно сказать, что она витала в воздухе) о том, чтобы использовать в качестве такого осциллятора слабо радиоактивное твердое вещество – ядра тория-229. Если в газообразном цезии переходы считаются по переходам электронов, вращающимся вокруг ядра атома (что и делает систему чувствительной к электрическим полям), то в тории периоды колебаний считаются  по изменению конфигурации самого ядра. Оно очень маленькое, на пять порядков меньше самого атома, поэтому и воздействие всевозможных полей на него оказывается гораздо слабее.

– И ученые в течение 30 лет пытались найти способ заставить колебаться ядро тория-229? 

– Да. И в этом году произошел настоящий прорыв – сразу несколько групп ученых нашли нужную частоту лазерного излучения при воздействии которого ядро тория начало резонировать. Правда, найденный переход пока имеет погрешность в точности исчисления секунды – 10 в минус пятнадцатой степени, то есть меньше, чем действующий цезиевый стандарт. Но это только начало, – есть резон предполагать, что через несколько лет этот радиоактивный изотоп позволит нам уточнить определение секунды до 10 в минус двадцатой степени, то есть, на четыре порядка улучшить нынешний стандарт времени. Технология изготовления кристаллов и возбуждения перехода из тория довольно сложна. Но если удастся сделать точные часы, не исключено, что за эту работу дадут Нобелевскую премию.

– Каковы шансы у России возглавить эту технологическую гонку?

– Шансы, безусловно, есть. Во-первых, госкорпорация Росатом умеет производить торий-229 в нужных для исследователей количествах, что мало кому доступно в мире. Во-вторых, над ядерным стандартом частоты сейчас работают умы специалистов сразу нескольких российских институтов. Лидером по ториевой тематике у нас всегда был МИФИ, есть разработки в казанском Федеральном исследовательском центре и у нас в ФИАНе.

– Насколько такая частота будет актуальна для обычного потребителя?

– Напрямую, конечно, ее никто не будет использовать. Мы же не задумываемся, какие мощности компьютеров и навигационных систем подключаются в работу, когда нажимаем кнопку в Google или Яндексе в момент определения точности своего местонахождения при заказе такси. На самом же деле в этот момент используется высокоточная информация всех спутниковых группировок –  ГЛОНАСС и GPS, работающих на атомных стандартах. Точность их работы с ядерными часами улучшиться в разы!

– Что касается такси, она уже и сегодня неплохая. Какие еще «чудеса» нас могут ожидать?

– Сейчас идет построение так называемого интернета вещей – концепции сети передачи данных между физическими объектами («вещами»). Одним из примеров такой сети может стать беспилотный городской транспорт. Каждый автобус и троллейбус будет оснащён средствами для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, то есть светофорами и людьми, переходящими дорогу. Здесь без молниеносной передачи мобильных данных уровня 6G не обойтись. А она сможет работать только с точнейшими стандартами частоты, которыми будет поддерживаться высокая скорость передачи данных.