Время относительности: как усовершенствованные атомные часы помогут в поиске тёмной материи

Атомные часы — самый точный на сегодняшний день инструмент для измерения времени. В таком приборе ионы какого-либо металла помещены в специальную электромагнитную «ловушку». Под воздействием лазера они переходят из одного энергетического состояния в другое.

Также по теме

Космический телеграф: возможно ли передавать информацию с помощью гравитационных волн

Российские математики пришли к выводу, что гравитационные волны теоретически способны передавать данные. По мнению исследователей,...

Один такой переход эквивалентен одной секунде. Для большинства атомных часов относительная погрешность составляет 10 в минус пятнадцатой степени. Это означает, что они начинают запаздывать или спешить на секунду лишь спустя миллионы лет.

Для создания сверхточных часов учёные используют лишь малочувствительные к возмущениям внешней среды атомы, например цезия. Именно атом цезия, вернее, его переход из одного энергетического состояния в другое, принят за стандарт секунды в атомных часах.

В новом исследовании американские физики взяли за основу прибора оптическую решётку из 1 тыс. атомов иттербия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Благодаря свойствам иттербия относительная погрешность атомных часов составила рекордные 1,4 × 10 в минус восемнадцатой степени. Если бы такие часы «завели» в момент Большого взрыва, 13,8 млрд лет назад, то они до сих пор бы работали с ничтожно малой погрешностью. 

Также учёным удалось получить рекордные показатели по стабильности — это явление, при котором время переходов одинаково для всех атомов. Стабильность, в частности, определяет, как долго нужно работать часам, чтобы время перехода всех отдельных атомов синхронизировалось. У некоторых атомных часов на это уходят сутки. Часы на основе иттербия достигают стабильности менее чем за секунду. 

«Сейчас стандартом секунды является атом цезия. Атом иттербия входит в число потенциальных кандидатов на новую международную единицу измерения времени. Результаты нашей работы соответствуют требованиям научного сообщества по созданию часов, работающих точнее текущих цезиевых», — сообщили авторы исследования.

Учёные намерены использовать усовершенствованный прибор для проверки общей теории относительности, а также поиска гравитационных волн и следов тёмной материи.

Так, согласно теории Эйнштейна, частота переходов в атомных часах падает под воздействием сильной гравитации. «Аномалии» в работе прибора помогут, по словам физиков, найти гравитационные волны.

Крайне важно, что благодаря достигнутой точности атомные часы помогут учёным справиться с одной из самых актуальных проблем астрофизики — поиском следов тёмной материи.

Дело в том, что когда частицы этой невидимой субстанции пролетают через какую-либо часть Земли, то течение времени там замедляется. Новый прибор на основе иттербия позволяет найти доказательства существования тёмной материи.