Последние исследования в области атомных часов

07.12.2025 Прокомментировать Просмотры: 53

Изображение: halfrain; CC BY-SA 2.0

Современные финансовые системы, глобальная навигация (включая GPS), авиация, телекоммуникации и интернет-инфраструктура опираются на Всемирное координированное время, поддерживаемое микроволновыми атомными часами. Однако на горизонте — более точные оптические часы. Этим летом международная группа из шести стран провела масштабное исследование: несколько оптических установок объединили в сеть, чтобы синхронизировать их показания и измерить уровень точности.

Краткий обзор атомных часов

Микроволновые атомные часы лежат в основе временной инфраструктуры планеты. На их показания ориентируются аэропорты, вокзалы, биржи, банки, а также российская система ГЛОНАСС, где даже малейшая неточность во времени способна исказить расчёт координат.

Принцип работы микроволновых часов основан на резонансном переходе атомов цезия или рубидия под воздействием микроволнового излучения: частоту подстраивают до резонанса, а затем используют её как эталон. Однако именно частота микроволн ограничивает максимальную точность таких систем.

Оптические атомные часы решают эту проблему за счёт переходов на оптических частотах (например, в атомах иттербия), которые в тысячи раз выше микроволновых. Резонанс достигается лазерным облучением, что даёт возможность «тикать» до 4,29·10¹⁴ раз в секунду и значительно повысить стабильность хода.

Полевые испытания и перспективы

Оптические установки оказываются более чувствительными к внешним факторам: доплеровским эффектам, вибрациям, температурным колебаниям. Кроме того, лазеры и оптические компоненты пока остаются дорогими, однако такие часы уже тестируют в реальных условиях.

В судоходстве даже небольшие погрешности приводят к сотням метров ошибки в позиционировании. В апреле калифорнийский стартап Vector Atomic испытал оптические атомные часы на основе молекул йода: прибор весом около 26 кг оказался в 1 000 раз точнее бортовых микроволновых часов. В будущем подобные системы могут применяться не только на кораблях, но и в беспилотном транспорте.

Кто ведёт разработки

Работы над оптическими часовыми эталонами ведут многие научные центры мира. В октябре физики MIT удвоили точность своих оптических часов, снизив квантовый шум и приближая создание компактных и мобильных моделей.

В конце ноября учёные Университета Торонто представили часы с атомами стронция, охлаждёнными до ниже пять кельвинов, что резко сокращает тепловые дрейфы: новая разработка примерно в 100 раз превосходит традиционные цезиевые часы по стабильности хода.

В январе Федеральный физико-технический институт Брауншвейга продемонстрировал ионные часы на основе индия: отказавшись от одного иона в пользу нескольких, специалисты увеличили точность в 1 000 раз по сравнению с цезием.

Сетевые синхронизации и новый стандарт

В 2025 года специалисты из Финляндии, Франции, Германии, Италии, Великобритании и Японии провели 45-дневный эксперимент по международной синхронизации оптических часов через спутниковую связь и оптоволокно — крупнейшее сравнение временных эталонов на сегодняшний день. Проект подтвердил работоспособность распределённой сети, но разработчикам предстоит решить ряд дополнительных задач для переопределения секунды.

К переопределению секунды

Парадокс заключается в том, что оптические часы точнее микроволновых, но вторые до сих пор задают определение секунды в системе СИ. Консультативный комитет по времени и частоте (CCTF) работает над пересмотром этого определения на основе оптических часов, и новый стандарт может быть введён в ближайшие пять лет. Переопределение секунды затронет телекоммуникации, энергетику, финансы, облачные расчёты, транспорт, космические исследования и фундаментальную физику.

Ещё более высокую точность обещают ядерные часы: переходы внутри ядра менее подвержены внешним полям. Для этого требуются редкие изотопы, например торий-229. Российские учёные из ВНИИФТРИ планируют представить прототип таких часов к 2030–2032 годам.