Готовы ли мы переосмыслить секунду?
Сравнивая оптические часы в шести разных странах, исследователи сделали важный шаг к созданию нового глобального стандарта времени.
В новом исследовании учёные провели самое масштабное на сегодняшний день скоординированное сравнение оптических часов, запустив их и соединяющие их звенья одновременно в шести странах. Этот эксперимент, охватывающий тысячи километров, является важным шагом на пути к переосмыслению секунды и, в конечном счёте, к созданию глобальной оптической шкалы времени.
«Точные сигналы времени и частоты, предоставляемые атомными часами, необходимы для многих повседневных технологий, таких как GPS, управление энергосистемами и синхронизация финансовых операций, — сказала Хелен Марголис, руководитель отдела времени и частоты в Национальной физической лаборатории (NPL) в Великобритании. — Наши результаты могут помочь улучшить характеристики оптических часов следующего поколения, открывая совершенно новые возможности и продвигая научные исследования, которые зависят от времени и частоты».
Оптические часы — это разновидность атомных часов, в которых используются лазеры для контролируемого возбуждения атомов, что приводит к их переходу между определёнными энергетическими уровнями. Эти переходы происходят с очень высокой точностью и служат «тиканьем» часов. Поскольку в оптических часах для измерения времени используются разные типы атомов, для достижения максимальной точности необходимо сравнивать их на больших расстояниях.
В Optica, флагманском журнале издательской группы Optica, группа исследователей из нескольких учреждений представляет результаты 38 сравнений, или соотношений частот, проведённых одновременно с использованием десяти различных оптических часов. Четыре из этих сравнений были проведены впервые, а многие другие были измерены со значительно улучшенной точностью.
«Эти измерения дают важную информацию о том, какая работа ещё необходима для оптических часов, чтобы достичь точности и надёжности, необходимых для использования в международном хронометрировании, — сказал Марко Пиццокаро, старший научный сотрудник Национального института метрологических исследований (INRiM) в Италии. — Наш эксперимент также показал, как можно связать оптические часы по всей Европе для измерения соотношений частот с высочайшей точностью. Это создаёт распределённую лабораторию, которую также можно использовать для проведения экспериментов по фундаментальной физике, таких как поиск тёмной материи или проверка основных законов физики».
Готовы ли оптические часы?
На протяжении десятилетий глобальный стандарт времени основывался на усреднённых показаниях цезиевых микроволновых атомных часов, расположенных по всему миру. Но по мере того, как оптические часы становятся всё более точными и стабильными, растёт поддержка идеи переопределения секунды в Международной системе единиц (СИ) с использованием оптических часов. Эти часы сейчас примерно в 100 раз точнее, чем лучшие цезиевые часы, и могут измерять время настолько точно, что за миллиарды лет они прибавят или отнимут менее одной секунды.
Чтобы использовать оптические часы для международного хронометража, необходимо сравнивать данные, полученные с разных часов, чтобы убедиться в их согласованной работе. В рамках крупного проекта, финансируемого ЕС, исследователи провели скоординированное сравнение оптических часов в шести странах.
“Одновременное сравнение нескольких часов и использование более чем одного типа технологии связи дает гораздо больше информации, чем в основном попарные сравнения часов, которые проводились до настоящего времени”, - сказал Томас Линдвалл, старший научный сотрудник VTT MIKES в Финляндии. “Благодаря скоординированному набору измерений становится возможным проверять согласованность, обеспечивая при этом более надежные результаты. Эти результаты могут помочь определить, какие оптические часы следует использовать в новом определении секунды ”.
Связывание часов
Чтобы провести измерения, исследователям пришлось объединить выходные частоты различных систем оптических часов. Они сделали это с помощью двух методов: радиосигналов со спутников и лазерного света, проходящего через оптические волокна.
Спутниковый метод использовал сигналы GPS от спутниковой навигационной системы, которые были доступны всем часам, включенным в исследование. Однако этот метод имеет ограниченную точность из-за погрешностей измерений, вызванных такими факторами, как шум сигнала или пределы возможностей прибора.
Исследователи также использовали специализированные оптоволоконные каналы связи, которые позволяли проводить измерения с точностью в 100 раз выше, чем спутниковая техника. Однако эти стабильные высокоточные каналы связи можно было использовать только для соединения часов во Франции, Германии и Италии во время международного сравнения. Кроме того, локальные сравнения в Германии и Великобритании, где несколько часов находились в одном институте, проводились с использованием коротких оптоволоконных кабелей, что ещё больше уменьшало погрешность.
Исследователи отметили, что координация одновременной работы десяти высокопроизводительных часов в разных странах и всех каналов связи между ними потребовала тщательного планирования, которое началось задолго до проведения измерений. Анализ данных также вызвал некоторые затруднения.
«Не все результаты подтвердили наши ожидания, и мы заметили некоторые несоответствия в измерениях, — сказала Рэйчел Годун, главный научный сотрудник NPL. — Однако благодаря сравнению большого количества часов одновременно и использованию нескольких методов для их синхронизации нам было проще определить источник проблемы».
В ходе эксперимента были выявлены некоторые области, требующие доработки. Например, чтобы убедиться, что все часы работают должным образом, необходимо уменьшить погрешность измерений, чтобы она соответствовала точности самих часов. Затем потребуются повторные измерения, чтобы подтвердить надёжную работу, необходимую для повышения доверия как к часам, так и к каналам связи. Кроме того, перед переопределением секунды необходимо выполнить ряд других условий, в том числе доказать, что оптические часы могут регулярно и последовательно вносить свой вклад в международные шкалы времени.
Ещё больше новостей читайте на нашем сайте.
А при покупке получите персональную скидка 5% на любой понравившейся ноутбук на нашем сайте.
Для этого при оформлении заявки сообщите менеджеру о том что узнали о нас на Дзене, и попросите его выставит эту скидку в вашем заказе.
