Физики разработали гибрид сверхточных весов и атомных часов

На базе атома цезия физиками создан новый вариант атомных часов, которые можно использовать в виде эталона времени и хронометра, а также в качестве сверхточных весов, что в самое ближайшее время поможет связать эталоны времени и массы.

Хольгер Мюллер руководитель команды ученых из Калифорнийского университета (Америка, Беркли) заявил - "Точность нашей разработки превышает семь частей на млрд. Данная погрешность равняется сдвигу на секунду за 8 лет, что приблизительно отвечает точности первых атомных часов на основе цезия, которые были созданы около шестидесяти лет назад. Но, с обратной стороны сообща с уникальными сферами Авогадро эти часы помогут нам по-новому определять килограммы. В наших часах частота "тиков" равна весу одного атома, и зная его, можно высчитать вес всего образца". Мюллер со своими коллегами смог создать гибрид сверхточных "нановесов" и атомных часов, научившись считывать у отдельных атомов так называемую комптоновскую частоту.

Физики объясняют, что электроны и атомы кроме микрочастиц представляют собой ещё и волны. Посредством этого они наделены такими же характеристиками, что и электромагнитные волны, включая амплитуду и частоту. Собственная частота атомных колебаний получила наименование комптоновской, в честь Артура Комптона американского физика, одного из открывателей квантовой механики.

Со слов авторов работы, трудности в наблюдении и измерении подобных колебаний делали невозможным их практическое применение в виде часов либо "метронома". После использования общеизвестного "парадокса близнецов", команда Мюллера смогла одолеть эти трудности.

Согласно данному парадоксу, время будет идти медленнее для объектов, которые путешествуют с достаточно большой скоростью. Посредством этого человек, совершивший полёт к далекой звезде и возвратившийся обратно, будет моложе, нежели его Земной брат-близнец.

Авторы работы приспособили данный феномен для измерения колебания частот атомов цезия. В новых экспериментальных часах есть два атома-"близнеца". Один — с высокой скоростью перемещается по емкости, а другой покоится. Посредством этого число колебаний, которые оба атома будут производить за единицу времени, будет сильно различаться.

Их поведение отслеживает атомный интерферометр - специальный прибор, показания которого обрабатываются с помощью специальной компьютерной вычислительной программы. Данная программа сравнивает изображения, которые появляются на датчиках интерферометра после столкновений атомов цезия и лазерного луча, и подсчитывает у одного из них комптоновскую частоту.

Из-за того что эта частота зависит исключительно от массы частицы и является постоянной, ее можно применить в виде базы для сверхточных часов. Представленный прототип атомной разработки Мюллера по точности рекордсменом не является — он приблизительно в сто млн. раз уступает лучшим аналогам на базе других технологий.

Однако такие часы могут быть использованы и для абсолютно других целей, наиболее перспективной и привлекательной из них является создание новой мерки массы. Мюллер объясняет, что измерив, правильное значение комптоновской частоты, можно измерить вес частицы, что поможет точно установить значение килограмма и отнести его к секунде.