Новий вид атомних годин є більш точним, ніж будь-який ще побудований, з можливістю плавно галокати в тисячу разів більше часу життя Всесвіту. Окрім того, що є найкращим хронометром на сьогоднішній день, новий так званий квантовий годинник газу може одного дня запропонувати зрозуміти нову фізику.
Дослідники JILA (раніше їх також називали Спільним інститутом лабораторної астрофізики) використовували поєднання атомів стронцію та масиву лазерних променів, щоб створити годинник настільки точним, що він міг би виміряти взаємодію сили тяжіння на менших масштабах, ніж коли-небудь раніше . Роблячи це, він може пролити світло на характер його стосунків з іншими фундаментальними силами, таємницю, яка десятиліттями здивувала фізиків.
Атомні годинники вимірюють час, використовуючи коливання атомів, як дуже точний метроном. Поточні атомні годинники вимикаються за секунди протягом десятків мільярдів років. Ця найновіша ітерація залишається достатньо точною, що вона вимкнеться лише на 1 секунду протягом приблизно 90 мільярдів років.
Щоб досягти такої точності, команда охолоджувала атоми стронцію, щоб вони не рухалися і не натикалися один на одного - те, що може скинути їх вібрації. По-перше, вони вдаряють атоми лазерами. При попаданні фотонів у лазери атоми поглинали свою енергію і повторно випромінювали фотон, втрачаючи кінетичну енергію і стаючи холоднішими. Але це їх недостатньо охололо. Щоб зробити їх ще холоднішими, команда покладалася на випарне охолодження, дозволяючи деяким атомам стронцію випаровуватися та приймати ще більше енергії. У них залишилося від 10 000 до 100 000 атомів, при температурі всього від 10 до 60 мільярдів градусів вище абсолютного нуля або мінус 459 градусів Фаренгейта (мінус 273 градуси Цельсія).
Холодні атоми були захоплені 3D-розташуванням лазерів. Промені були встановлені, щоб заважати один одному. Так вони створили регіони з низьким і високим потенціалом енергії, які називаються потенційними свердловинами. Лунки діють як укладені яєчні коробки, і в кожній є атом стронцію.
Атоми стали настільки холодними, що вони перестали взаємодіяти один з одним - на відміну від звичайного газу, в якому атоми бігають навмання і відскакують від своїх побратимів, такі охолоджені атоми залишаються цілком нерухомими. Потім вони починають поводитись так, що менш схожі на газ і більше схожі на тверде тіло, навіть якщо відстань між ними набагато більше, ніж те, що знаходиться у твердому стронцію.
"З цієї точки зору це дуже цікавий матеріал; тепер він має властивості так, ніби це твердий стан", - розповів Live Science керівник проекту Джун Є, фізик Національного інституту стандартів і технологій. (JILA спільно керується NIST та Університетом Колорадо в Боулдері.)
У цей момент годинник був готовий почати зберігати час: Дослідники вдарили атоми лазером, збуджуючи один з електронів, що обертаються навколо ядра стронцію. Оскільки електронами керуються закони квантової механіки, не можна сказати, на якому енергетичному рівні знаходиться електрон, як тільки він збуджений, і можна лише сказати, що він має ймовірність перебування в тому чи іншому. Щоб виміряти електрон, через 10 секунд вони вистрілили ще один лазер на атом. Цей лазер вимірює, де електрон розташований навколо ядра, як фотон від лазера повторно випромінюється атомом - і скільки разів він коливався в цей період (10 секунд).
Усереднення цього вимірювання на тисячах атомів - це те, що надає цьому атомному годиннику точність, так само як усереднення ударів тисяч однакових маятників дасть ще більш точне уявлення про те, яким повинен бути період цього маятника.
До цих пір атомні годинники мали лише поодинокі "струни" атомів на відміну від 3D-решітки, тож вони не могли здійснити стільки вимірювань, як цей.
"Це як порівняння годинників", - сказав Є. "Використовуючи цю аналогію, лазерний імпульс на атомах викликає когерентне коливання. Через десять секунд ми знову включаємо імпульс і запитуємо електрон:" Де ти? ".
Утримувати електрони в такому проміжному стані важко, сказав Є, і це ще одна причина, що атоми повинні бути настільки холодними, щоб електрони випадково нічого не торкалися.
Годинник може по суті вимірювати секунди до 1 частини в трильйонах. Ця здатність робить більш ніж справді хорошим хронометром; Це може допомогти в пошуку таких явищ, як темна матерія, сказав Є. Наприклад, можна було б встановити експеримент у космосі, використовуючи такий точний таймер, щоб побачити, чи атоми поводяться інакше, ніж прогнозують звичайні теорії.
Дослідження детально описано у випуску журналу Science за 6 жовтня.
