Физика

Американские физики разработали компактные оптические часы на основе молекулярного йода. Трехнедельные испытания в открытом море показали, что они достаточно стабильны и нечувствительны к внешней среде, а это продвигает вперед возможности морской навигации.

Мы живем в четырехмерном пространстве, где три измерения — это высота, ширина и длина, а четвертое — время. Современная наука пытается познать эти пространства как можно подробнее.

Люди научились измерять расстояния уже в нанометрах, а время — в аттосекундах. В этих единицах работают самые точные на сегодня часы, основанные на электромагнитном излучении, возникающем при переходе электронов в атомах цезия с одной «орбиты» на другую.

Атомные часы измеряют время с точностью до 10^-18 (то есть до квинтиллионных долей секунды). Если сравнивать их показания с сигналом точного времени со спутника или удаленных стационарных часов, можно заметить изменения в скорости хода времени из-за изменения силы гравитационного воздействия (например, из-за изменения высоты над уровнем моря). Благо, как известно из теории относительности, чем сильнее гравитация в той или иной точке пространства, тем медленнее там течет время.

Повысить точность часов можно, если взять несколько атомов и сделать из них атомную оптическую решетку (для этого используют стронций или тулий). По атомам в такой решетке «стреляют» лазерами, что позволяет глубоко охладить всю решетку и до предела снизить межатомные колебания в ней, поднимая точность измерений. Такая точность необходима не только для сугубо научных изысканий в фундаментальной физике, но и для навигации.

Миллионы устройств, связанных со спутниками GPS, или Глобальной навигационной спутниковой системой (ГНСС), продолжают работать потому, что орбитальные аппараты синхронизированы с атомными часами на наносекундном уровне. Это позволяет определять координаты с точностью до нескольких метров. Правда, сохранить подобный результат легко только в лабораториях. В полевых условиях — например, на морских кораблях, которые особенно нуждаются в стабильных и точных координатах — добиться этого сложно, ведь в море случаются штормы, а суда курсируют сквозь магнитные моля Земли.

Группа физиков из компании Vector Atomic в США разработала оптические часы на мобильных платформах, которые нечувствительны к внешней среде и основаны на молекулярном йоде. Сначала исследователи создали эти часы в лаборатории, а затем испытали три устройства в море в течение 20 дней. Результаты научной работы опубликованы в журнале Nature.

Йод давно известен как оптический стандарт частоты с длиной волны 532 или 1064 нанометра и точностью в 10^-10, что чуть выше наносекундной величины. Лазер с йодной ячейкой используют, например, в баллистическом гравиметре для измерения ускорения свободного падения. В новом исследовании физики сконструировали часы с лазерной системой и изолированными парами йода. Благодаря этому, по словам ученых, структура не требует лазерного охлаждения, предварительной стабилизации и нечувствительна к движению. Исследователи выбрали молекулярный йод еще и потому, что устройство, работающее на ионах или атомах, было бы дороже, тяжелее, больше и не так надежно. Но новые часы хоть и вышли компактными — объемом всего 35 литров и массой 26 килограммов — не столь точны, как атомные.

Три первых устройства — PICKLES, EPIC и VIPER (эти чуть попроще) — испытали в 2022 году в штате Колорадо, где сравнивали их работу с универсальной шкалой времени NIST на протяжении 34 дней. Дрейф частоты новых часов был закономерно больше, чем у атомного стандарта, — всего 300 пикосекунд (300 триллионных долей секунды) за день.

Удовлетворенные таким лабораторным результатом физики отправили свои часы в Перл-Харбор для испытания в крупнейших военно-морских учениях RIMPAC. Устройства жестко закрепили на полу грузового контейнера, где работал кондиционер, на три недели и не трогали (только VIPER пришлось перезапустить из-за сбоя в питании). В полевых условиях температура колебалась на 2-3 °C, влажность — на 4-5%, а судно кренилось и дрожало во время движений.

За 20 дней в море часы не показали отклонений в характеристиках на коротких интервалах в тысячу секунд. Пара PICKLES-EPIC сохранила нестабильность, эквивалентную 400 пикосекундам (400 триллионных долей секунды) в сутки. Скорость дрейфа была той же, что и в атомных часах NIST. VIPER показал как кратковременную, так и суточную нестабильность, но ученые и сделали эти часы попроще.

Иными словами, если новые часы, установленные на судне, потеряют связь с внешними часами, то есть со спутниками, их отставание будет минимальным, а точность продолжит находиться в пределах наносекунд. Это делает оптические часы на основе молекулярного йода самыми высокопроизводительными морскими часами на сегодня. Они минимально чувствительны к внешней среде (правда, кондиционер может немного испортить фон), стабильны и компактны.