Рекордный результат показывает невероятную точность, достижимую атомными часами, — пишет sciencenews.org.

Часы на разной высоте тикают с разной скоростью. Атомные часы теперь показали эту ключевую особенность общей теории относительности в масштабе миллиметра. Миллиметр может показаться не таким уж большим. Но даже такое маленькое расстояние может изменить течение времени.

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, часы идут тем быстрее, чем дальше они находятся от Земли или другого массивного объекта. Теоретически это должно быть справедливо даже для очень небольшой разницы в высоте часов. Теперь невероятно чувствительные атомные часы заметили это ускорение на миллиметровом образце атомов, обнаружив эффект при меньшей разнице высот, чем когда-либо прежде. Как сообщают исследователи 24 сентября на arXiv.org, время движется немного быстрее в верхней части этой выборки, чем в нижней.

«Это фантастика, — говорит физик-теоретик Марианна Сафронова из Делавэрского университета в Ньюарке, которая не принимала участия в исследовании. — Я думал, что до этого момента потребуется гораздо больше времени». Чрезвычайная точность измерения атомных часов предполагает возможность использования чувствительных часов для проверки других фундаментальных концепций физики.

Врожденное свойство атомов позволяет ученым использовать их в качестве часов. Атомы существуют на разных уровнях энергии, и определенная частота света заставляет их прыгать с одного уровня на другой. Эта частота — частота колебаний световых волн — служит той же цели, что и секундная стрелка часов, которая регулярно тикает. Для атомов, находящихся дальше от земли, время бежит быстрее, поэтому для скачка энергии потребуется более высокая частота света. Ранее ученые измерили этот частотный сдвиг, известный как гравитационное красное смещение, на разнице высот в 33 сантиметра.

В новом исследовании физик Джун Йе из JILA в Боулдере, штат Колорадо, и его коллеги использовали часы, состоящие примерно из 100 000 ультрахолодных атомов стронция. Эти атомы были расположены в решетке – то есть атомы располагались на разной высоте, как если бы они стояли на ступенях лестницы. Картирование того, как частота изменилась на этих высотах, выявило сдвиг. После корректировки негравитационных эффектов, которые могут сдвигать частоту, частота часов изменилась примерно на одну сотую квадриллионной доли процента на миллиметр — как раз на величину, ожидаемую в соответствии с общей теорией относительности.

Более того, после сбора данных в течение примерно 90 часов и сравнения тиканья верхней и нижней части часов ученые определили, что их метод может измерять относительную скорость тикания с точностью до 0,76 миллионной триллионной доли процента. Это делает его рекордом для самого точного сравнения частот из когда-либо проводившихся.

В похожем исследовании, также представленном 24 сентября на arXiv.org, другая группа исследователей загрузила атомы стронция в определенные части решетки, чтобы создать шесть часов в одном. «То, что они сделали, тоже очень увлекательно», — говорит Сафронова.

Шимон Колковиц из Университета Висконсин-Мэдисон и его коллеги измерили относительную скорость тикания двух часов, разделенных примерно шестью миллиметрами, с точностью 8,9 миллионных триллионных долей процента, что само по себе было бы новым рекордом, если бы это не было использовано группой Йе. Обладая такой чувствительностью, ученые могли обнаружить разницу между двумя часами, идущими с такой незначительной разницей, что они разошлись бы всего на одну секунду примерно через 300 миллиардов лет. Часы Йе могут обнаружить еще меньшее расхождение между двумя половинами часов в одну секунду, накопленными примерно за 4 триллиона лет. Хотя команда Колковица еще не измерила гравитационное красное смещение, эту установку можно было бы использовать для этого в будущем.

«Точность измерений намекает на будущие возможности, — говорит физик-теоретик Виктор Фламбаум из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее. Например, «атомные часы теперь настолько точны, что их можно использовать для поиска темной материи», — говорит он. Эта незаметная, неопознанная субстанция незримо скрывается в космосе; определенные гипотетические типы темной материи могут изменять ход часов. Ученые также могли сравнивать атомные часы, сделанные из разных изотопов — атомов с различным количеством нейтронов в ядрах, — что может указывать на неоткрытые новые частицы. А атомные часы могут изучать, могут ли фундаментальные константы природы меняться.

Возможность точно сравнивать разные часы также важна для основной цели хронометража: обновления определения секунды. Продолжительность секунды в настоящее время определяется с использованием атомных часов более раннего поколения, которые не так точны, как более новые, подобные тем, которые используются в двух новых исследованиях.

«У часов очень светлое будущее», — говорит Сафронова.