На протяжении большей части истории человечества мы вели счет времени по положению Земли в пространстве. Второе было подразделением земного дня, а позже - земного года: Промежуток времени определялся тем, где находилась Земля. Затем появились атомные часы.
Ученые погрузились в атомы элемента цезия, где процесс, называемый гиперфинным переходом, излучает и поглощает микроволны, которые ученые могли очень точно засечь с помощью вибрирующего кристалла кварца. Этот метод лежит в основе того, как ученые измеряют время сегодня, и позволил им выработать более точное определение секунды в 1967 году.
Это определение не претерпело существенных изменений за более чем полвека, как и время атомных часов, использованных для его создания. Эти часы не потеряли ни секунды с момента вымирания динозавров. Но сейчас появились более совершенные атомные часы, и они годятся не только для определения времени - они также являются отличным инструментом в физике.
Теперь две разные группы создали часы, которые могут измерять тонкие физические процессы в самих часах. Исследовательские группы опубликовали свои результаты в двух различных статьях в журнале Nature 16 февраля. Эти новые часы могут измерять одно из предсказаний Альберта Эйнштейна - замедление времени из-за гравитации - в самом маленьком масштабе.
В таких передовых атомных часах, как эти, не используется ни цезий, ни кварц. Вместо этого их основой являются блинообразные структуры из переохлажденных атомов стронция. Их операторы могут управлять атомами с помощью лазера, излучающего видимый свет. Поэтому их называют "оптическими часами".
Такие оптические часы есть в Университете Висконсин-Мэдисон. Эти часы содержат шесть стронциевых блинов - по сути, шесть маленьких часов - в одной и той же структуре. (В этом числе нет ничего уникального; их может быть больше или меньше. "Шесть - это несколько произвольно", - говорит Шимон Колковиц, физик из Университета Висконсин-Мэдисон).
Часы Мэдисона могут показывать время с точностью до секунды на протяжении 300 миллиардов лет - в 20 раз дольше, чем возраст Вселенной. Это был бы мировой рекорд, но эти часы даже не самые мощные из существующих. Их превзошли другие мультичасы в JILA, совместном проекте Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере.
Наличие нескольких "часов" в одном устройстве не обязательно полезно для определения времени. (Какие часы вы смотрите, например?) Но они позволяют сравнивать часы друг с другом. Поскольку эти часы очень, очень точные, они могут измерять некоторые очень точные физические явления. Например, группа из Боулдера смогла проверить замедление времени с помощью одного устройства.
"До сих пор это было чем-то вроде того, что можно найти, сравнивая отдельные часы на расстоянии, - говорит Тобиас Ботвелл, аспирант JILA и NIST.
Согласно теории относительности, время замедляется тем быстрее, чем ближе вы приближаетесь к скорости света. Гравитационные поля тоже могут вызывать такое же замедление: Чем сильнее поле, тем больше замедление времени. Возьмем Землю. Чем ближе вы находитесь к центру Земли, тем сильнее земная гравитация тянет вас вниз, и тем больше замедление времени вы испытываете.
На самом деле, вы переживаете время медленнее, чем птицы над вашей головой, а материал под вашими ногами на самом деле переживает время медленнее, чем вы. Ядро Земли на самом деле на 2,5 года моложе земной коры. Это может показаться много, но на фоне истории нашей планеты, насчитывающей 4,6 миллиарда лет, это даже не капля в море времени. Тем не менее, ученые уже несколько десятилетий измеряют такие тонкие различия, используя всевозможные методы - от гамма-лучей до радиосигналов, от Марса до атомных часов.
В 1971 году двое ученых пронесли атомные часы на борт коммерческих рейсов и облетели с ними вокруг света, по одному в каждом направлении. Они измерили едва заметную разницу в несколько сотен наносекунд, что совпало с предсказаниями. В 2020 году ученые использовали двое часов, одни из которых находились на высоте 1 480 футов над другими на токийском небоскребе, и обнаружили разницу, которая вновь подтвердила правоту Эйнштейна.
Эти эксперименты показывают, что относительность универсальна. "По сути, она одинакова везде на Земле", - говорит Александр Аеппли, аспирант JILA и NIST. "Если вы можете измерить один сантиметр здесь, вы можете измерить один сантиметр и в другом месте".
NIST уже дошел до сантиметрового уровня. В 2010 году ученые из NIST провели аналогичное измерение, используя разные часы, расположенные на расстоянии около фута друг от друга.
В одном из новых исследований два стронциевых блина в одном устройстве были разделены еще меньше: примерно миллиметром. После 90 часов сбора данных группа из Боулдера смогла различить тончайшую разницу в свете, сделав измерение в 50 раз более точным, чем любое другое до нее.
Рекордом их измерений до этого было наблюдение за расширением - разницей в частоте света - до 19 знаков после запятой, говорит Ботвелл. "Теперь мы перешли к 21 знаку... Обычно, когда вы переходите на один знак после запятой, вы начинаете волноваться. Но нам повезло, что мы оказались в таком положении, что смогли перейти на два".
Тиз, по словам Колковица, это "очень красивые и захватывающие результаты".
Но Колковиц, который не участвовал в исследовании NIST, говорит, что у часов NIST есть один недостаток: их не так просто вынести из лаборатории. "У группы NIST самый лучший лазер в мире, но он не очень портативен", - говорит он.
Он считает, что работа двух групп дополняет друг друга. Часы в Боулдере могут измерять время и другие физические свойства со все большей точностью. В то же время, по его мнению, более мобильные часы, подобные часам в Мэдисоне, можно будет переносить в различные места, в том числе в космос для поиска темной материи или гравитационных волн.
Доказывать, что основы физики работают так, как считали Эйнштейн и его друзья, очень здорово, но на самом деле у этой науки есть и множество реальных применений. Например, навигация может выиграть от более точных часов; GPS должен корректировать замедление времени. А измерение силы замедления времени может позволить вам более точно измерять гравитационные поля, что позволит, например, заглянуть под поверхность Земли.
"Вы можете посмотреть на магматические шлейфы под Землей и понять, когда может произойти извержение вулкана", - говорит Аеппли. "Подобные вещи".
Поправка от 2 марта 2022 года: в предыдущей версии этой статьи говорилось, что ядро Земли примерно на 2,5 года старше ее коры. На самом деле, благодаря гравитационному замедлению времени, ядро на 2,5 года моложе.