Продолжительность секунды не обновлялась 70 лет. Пора бы.
Определение секунды, самой фундаментальной единицы времени в нашей нынешней системе измерений, не обновлялось более 70 лет.
Но в следующем десятилетии это может измениться. Сверхточные атомно-оптические часы, работающие на основе видимого света, находятся на пути к тому, чтобы установить новое определение секунды.
Эти более новые версии атомных часов, по крайней мере теоретически, намного точнее, чем цезиевые часы золотого стандарта, которые измеряют секунду на основе колебаний атомов цезия под воздействием микроволн.
Нынешняя стандартная секунда основана на эксперименте 1957 года с изотопом цезия. При импульсном воздействии микроволновой энергии с определенной длиной волны атомы цезия максимально "возбуждены" и испускают максимально возможное количество фотонов.
Эта длина волны, названная естественной резонансной частотой цезия, заставляет атомы цезия "тикать" 9 192 631 770 раз каждую секунду. Это первоначальное определение секунды было привязано к продолжительности дня в 1957 году, а это, в свою очередь, было связано с переменными вещами, такими как вращение Земли и положение других небесных объектов в то время.
Напротив, оптические атомные часы измеряют колебания атомов, которые "тикают" намного быстрее, чем атомы цезия, когда на них воздействует свет в видимом диапазоне электромагнитного спектра. Поскольку они могут тикать намного быстрее, теоретически они могут определить секунду с гораздо более точным разрешением.
Есть несколько претендентов на замену цезия в качестве основного хронометра, включая стронций, иттербий и алюминий. У каждого есть свои плюсы и минусы.
Чтобы получить такие часы, исследователи должны приостановить, а затем охладить атомы с точностью до абсолютного нуля, а затем импульсировать их точно настроенным цветом видимого света, необходимым для максимального возбуждения атомов. Одна часть системы освещает атомы, а другая подсчитывает колебания.
Но некоторые из самых больших проблем связаны с тем, чтобы убедиться, что лазер излучает точно правильный цвет света (например определенный оттенок синего или красного), необходимый для того, чтобы подтолкнуть атомы к их резонансной частоте. Для второго шага, подсчета колебаний, требуется так называемая фемтосекундная лазерная гребенка, которая посылает импульсы света через крошечные промежутки времени.
Оба элемента представляют собой невероятно сложные инженерные ухищрения и сами по себе могут занимать целую лабораторную комнату.
Так для чего ученым нужны еще более точные атомные часы для измерения секунды?
У времени своя "атмосфера". ОТО говорит, что оно деформирована массой и гравитацией. В результате время может идти бесконечно медленнее на уровне моря, где гравитационное поле Земли сильнее, чем на вершине Эвереста, где оно слабее.
Обнаружение этих мельчайших изменений в течении времени может также выявить свидетельства новой физики. Например, влияние темной материи до сих пор было обнаружено только в отдаленном "танце" галактик, вращающихся друг вокруг друга, в искривлении света вокруг планет и звезд, и в остаточном свете Большого взрыва.
Но если сгустки темной материи прячутся ближе к дому, то сверхточные часы, обнаруживающие крошечное замедление времени, смогут их найти.
Точно так же, раскачивая ткань пространства-времени, гравитационные волны сжимают и растягивают время. Некоторые из самых больших гравитационных волн обнаруживаются лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией, эстафетной гонкой на несколько тысяч километров для измерения вспышек в пространстве-времени, созданных катастрофическими событиями, такими как столкновения черных дыр. Но батальон атомных часов в космосе мог бы обнаружить эти эффекты замедления времени для гораздо более медленных гравитационных волн, таких как волны космического микроволнового фона.