Физики говорят о создании первых часов, ход которых определяет масса одного единственного атома вещества. По словам ученых, их часы являются самыми точными во Вселенной, а кроме того они могут переопределить массу килограмма как метрической единицы. В основе созданных часов лежат самые фундаментальные физические процессы, поэтому создать еще более точные часы практически невозможно.
Существующие атомные часы, самые точные из существующих, измеряют как быстро электроны меняют свои состояния внутри атомов цезия. Из одного состояния в другое электроны переходят примерно 9 млрд раз каждую секунду. Однако подобный способ измерения времени с использованием атомов не единственный. Квантовая механика говорит, что вся материя существует одновременно в двух формах - волны и частицы.
Как волна, она имеет частоту. Это значит, что каждая частица имеет частоту, которая именуется частотой Комптона и зависит от массы атома материи. Специалисты говорят, что в принципе можно было бы построить так называемые часы Комптона, которые будут "тикать" в зависимости от частоты того или иного атома. Проблема заключается в том, что частота атома примерно в 100 млрд раз больше, чем частота видимого светового излучения. "Эта частота очень велика, фактически, она настолько велика, что ее трудно определить", - говорит Хольгер Мюллер из Университета Калифорнии в Беркли.
Чтобы разрешить эту проблему, ученые обратились к Теории относительности Эйнштейна, а также к известному "парадоксу близнецов". Парадокс близнецов заключается в ситуации, когда один из близнецов летит на теоретическом космическом корабле, движущемся со скоростью света, тогда как другой остается на Земле. В итоге, через некоторое время выяснится, что для близнецов время течет по-разному и тот, что был в корабле должен был бы оказаться моложе своего земного близнеца.
Группа Мюллера воссоздала этот парадокс на атомном уровне, направив атомы цезия через устройство, называемое интерферометром. Оно разделяет волны на две составляющие - одна остается стационарной, тогда как вторая продолжает двигаться. В итоге для частей волны время течет по-разному. Вместо того, чтобы напрямую измерять частоту Комптона, исследователи применили лазер для измерения различий в частоте, которые составляют около 100 000 Герц. Так как этот показатель также зависит от массы атома, его можно рассматривать и как индивидуальный одиночный ход самых точных атомных часов в истории.
Впрочем, ученые говорят, что у данных часов пока довольно большая погрешность: примерно 1 секунда за 8 лет, что сопоставимо с ранними атомными часами. Для сравнения: современные атомные часы потеряли бы не более 4 секунд на все время существования Вселенной (13,7 млрд лет).
Однако здесь есть один нюанс: точно определив массу атома, эти часы могут быть практически бесконечно точными, а кроме того, они же могут помочь с атомарной точностью определить, что представляет собой килограмм.
Напомним, что научный стандарт массы в 1 килограмм сейчас представляет собой металлический брусок, хранящийся в Международном бюро мер и весов в Париже. Из-за постоянных атомных колебаний исследователи уже давно обратили внимание на то, что этот "золотой стандарт" килограмма начинает то снижать массу, то набирать ее. За счет новой технологии ученые могут понять, сколько именно атомов вещества входит в этот стандарт килограмма и в дальнейшем делать сверхточные производные вычисления.
По словам ученых, точно подсчитать количество "строительных блоков" килограмма можно при помощи частоты Комптона, постоянной Планка и скорости света. Так как относительная масса всех атомов известна, техника может помочь в выявлении того, сколько атомов того или иного вещества составляют килограмм.
Источник: CyberSecurity
|
