Секунда за 80 миллиардов лет

Современное определение секунды гласит, что она есть интервал 9 192 631 770 колебаний микроволнового излучения определенной длины волны, которое атом цезия-33 излучает или поглощает при переходе между заданными энергетическими уровнями. Этому определению уже более полусотни лет.

Но жизнь требует все более точных измерений и способов синхронизации приборов. Поэтому метрологи договорились к 2030 году перейти на более короткие длины волн. Световые волны атомов стронция или иттербия позволят отмерять меньшие, чем микроволны интервалы времени, а значит, задавать секунду с еще большей точностью.

Однако смена стандарта — это лишь полдела. Для всемирного перехода на новый стандарт надо синхронизировать часы по всей Земле и в ближайшем космосе. И со светом сделать это не так просто, как с микроволнами более низких частот, ведь он сильно поглощается при передаче через атмосферу, а также отклоняется и рассеивается из-за ее турбулентности. Остается полагаться на передачу через волноводы или перемещение заранее синхронизированных приборов, подобно морским хронометрам времен Великих географических открытий.

Очередной шаг к введению новой секунды и дальней сверке часов сделали китайские физики под руководством доктора Пан Ян Вея (Jian-Wei Pan) из Научно-технического университета Китая в Хэфэйе. С помощью переданного по воздуху лазерного излучения они смогли синхронизировать двое часов на расстоянии в 113 километров, что в семь раз больше предыдущего рекорда. Статья о достижении появилась 5 октября в журнале «Nature».

Оно стало возможным благодаря применению чувствительных лазерных приемников, мощных усилителей и излучения в виде стабильных частотных гребенок. Одновременная передача излучения по волноводу показала, что синхронизация в сто раз точнее, чем у атомных часов нынешнего мирового времени. Такая точность в 10^–19 означает, что часы могут уйти на секунду друг от друга лишь через 80 миллиардов лет.

Авторы исследования также занимаются квантовой спутниковой связью. Их новая работа дает уверенность в возможности синхронизировать часы геостационарной орбитальной группировки спутников с земными приборами. Кроме прочего, это позволит вести сложные физические эксперименты по изучению гравитационного поля Земли, проверке теории относительности и космологичнеских теорий о темной материи. (Nature 610, 661–666 (2022))