«Точность наших часов превышает семь частей на миллиард. Такая погрешность соответствует сдвигу на одну секунду за восемь лет, что примерно соответствует точности первых атомных часов на базе цезия, созданных 60 лет назад. (С другой стороны), эти часы, в комбинации с лучшими сферами Авогадро, помогут нам дать новое определение килограмма. Частота “тиков” в наших часах эквивалентна массе одного атома, а зная ее, мы можем вычислить массу всего образца», — заявил руководитель группы ученых Хольгер Мюллер (Holger Mueller) из университета Калифорнии в Беркли (США).
Мюллер и его коллеги смогли создать гибрид атомных часов и сверхточных «нановесов», научившись считывать так называемую комптоновскую частоту у отдельных атомов.
Как объясняют физики, атомы и электроны представляют собой не только микрочастицы, но и волны. Благодаря этому они обладают теми же свойствами, что и электромагнитные волны, в том числе частотой и амплитудой. Собственная частота колебаний атомов получила название комптоновской, в честь американского физика Артура Комптона, одного из пионеров квантовой механики.
По словам авторов статьи, трудности в измерении и наблюдении за подобными колебаниями делали их практическое использование в качестве «метронома» или часов невозможным. Группа Мюллера смогла преодолеть эти трудности, использовав широко известный «парадокс близнецов».
Согласно этому парадоксу, время будет течь медленнее для объектов, путешествующих с достаточно высокой скоростью. Благодаря этому человек, совершивший путешествие к далекой звезде и вернувшийся обратно, будет моложе, чем его брат-близнец на Земле.
Авторы статьи приспособили этот феномен для измерения частоты колебаний атомов цезия. В их экспериментальных часах присутствует два атома-"близнеца". Один из них покоится, а второй — перемещается по емкости с высокой скоростью. Благодаря этому число колебаний, которые будут совершать оба атома за единицу времени, будет заметно различаться.
За их поведением следит специальный прибор — атомный интерферометр, показания которого обрабатываются при помощи специального компьютерного алгоритма. Эта программа сравнивает картинки, которые возникают после столкновений лазерного луча и атомов цезия на датчиках интерферометра, и вычисляет комптоновскую частоту одного из них.
Так как эта частота постоянна и зависит лишь от массы частицы, то ее можно использовать в качестве основы для сверхточных часов. Первый прототип атомных часов Мюллера и его коллег не является рекордсменом по точности — он примерно в 100 миллионов раз уступает лучшим аналогам на основе других технологий.
С другой стороны, подобные часы можно использовать и для совершенно иных целей, наиболее привлекательной и перспективной из которых выступает создание нового стандарта массы. Как объясняет Мюллер, измерив точное значение комптоновской частоты, можно измерить массу частицы, что позволит точно определить значение килограмма и связать его с секундой.