Сегодня мы хотели бы поделиться историей о представителе одного знатного рода, который смог прославить свою фамилию не в сфере литературы, как его предок, а в области точных наук. Интересно и важно отметить, что ни происхождение, ни время не смогли помешать яркому уму XX века реализовать свой потенциал. Сергей Геренг был обычным советским мальчиком. Его отец, Борис, работал агрономом в Народном комиссариате земледелия СССР, а мать, Марина, трудилась в библиотеке Исторического музея. У Сергея был брат Борис. Впереди их ждало счастливое детство в молодой советской стране. Однако судьба распорядилась иначе: в 1929 году отец покинул семью, а в 1935 году мать скончалась от скарлатины. Таким образом, Борис и Сергей остались на попечении деда Сергея Мезенцева, недавно освободившегося из заключения, и двоюродной бабушки. Что же такого сделал их дед Сергей Мезенцев, чтобы попасть в немилость советской власти?

Он был дворянином, до революции владел поместьем и занимал пост генерал-майора в свите великих князей Михаила Николаевича и Николая II. За свою прежнюю службу он расплачивался после прихода советской власти.

Невзирая на трудные времена детей любили и опекали родственники матери и отца. И несмотря на то, что в 1937 году дедушку повторно арестовали, и как стало ясно только много лет спустя – расстреляли, Сережу и Борю не тронули…

Дети хорошо учились, мечтали о велосипеде и покорении Севера. Братья готовились к будущим путешествиям — закалялись, зимой открывали окна и спали на холоде, но Север братьям не покорится, зато будут взяты другие высоты.

Летчик и моряк

 Началась война. Сергей – едва окончив 10 класс в 1942 году отправился в армию.

«Я уже знал, перейдя в 10-й класс, что все моего года рождения будут призываться в конце года. Мне исполнилось только-только семнадцать лет».

Сергей служил в штурмовом и истребительном авиационных полках в должности механика-моториста, занимался ремонтом и обслуживанием самолётов-штурмовиков и истребителей, которые возвращались после боевых вылетов. Был награждён медалью «За победу над Германией в Великой Отечественной войне в 1941—1945 годов».

Младшего Бориса призвали только в январе 1944-го, он стал моряком-зенитчиком Балтийского флота и был награжден медалью «За оборону Ленинграда», которой очень гордился.

Вернуться к мирной жизни Сергею и Борису удалось лишь в 1946 году, тогда к братьям Геренгам вернулась и фамилия знаменитого родственника. Теперь фронтовики Сергей и Борис Пушкины начинали мирную жизнь студентов в советской России.

Сережа и Боря праправнуки великого российского писателя Александра Сергеевича Пушкина. Потомкам дворянского рода нелегко пришлось в годы советской власти, но в истории оба брата оставили собственный след, сделав вклад в звучание фамилии предка.

Сергей поступил на электрофизический факультет Политехнического института по специальности «Радиотехника», а Борис, стал студентом Автомеханического института. Оба брата стали инженерами, поскольку обладали склонностью к точным наукам, чего нельзя было сказать об их великом предке, который имел 2 по математике, когда учился в Царскосельском лицее.

Обоих ждало признание и успешная карьера. Сергей Борисович станет выдающимся учёным-метрологом, а его брат — изобретателем в авиационной промышленности.

Пока братья успешно учатся, знакомятся со своими будущими женами, живут мирную и вполне счастливую жизнь. К моменту завершения учебы Сергей уже был женат и воспитывал дочь.

В столице — 15 часов, …, в Петропавловске-Камчатском — полночь

Последний курс Сергей Пушкин заканчивал, работая в недавно созданном метрологическом институте, который со временем превратился в Институт метрологии времени и пространства (ВНИИФТРИ). Сергей со временем дорос до должности начальника службы времени. Романтично все-таки звучит, но к романтике, конечно же, никакого отношения не имело.

Из воспоминаний Сергея Пушкина

Как-то раз он шёл на работу и увидел, что роют канаву и спешно прокладывают кабель. Оказалось, что накануне проходил военный парад. В определенное время между шпилями кремлевских башен должны были пролететь самолёты, но появились они на 20 секунд позже. Это стало поводом для большого скандала, стали проверять, в чём дело. Выяснилось, что в Кремле часы неправильное время показывали и тогда в институт спешно провели кабель, чтобы давать сигналы точного времени в Кремль.

После этого случая лаборатории, где трудился Пушкин, поручили организовать передачу сигналов проверки времени (известные, как «6 точек») через сеть радиостанций страны.

«До этого сигналы проверки точного времени передавал астрономический институт Штернберга. Там были маятниковые часы, дежурный смотрел, когда наступало время, и связывался по телефонной линии с радио домом. Они телеграфным ключом нажимали две точки — тире».

Сергею Борисовичу поручили разработать аппаратуру и организовать передачу сигналов точного времени для проверки показаний и автоматической синхронизации часов технического и бытового назначения. Что и было сделано осенью 1957 года. 4 октября в день запуска первого искусственного спутника Земли, Служба времени ВНИИФТРИ начала передавать через широковещательные радиостанции сигналы времени в виде шести точек. На этом достижения Сергея Пушкина не заканчивались оставит след он и в мировой истории.

Время – вода

Пока прерву рассказ про Сергея Пушкина, мы еще вернемся к его достижениям, а сейчас небольшой экскурс в историю счисления времени. Как вообще произошло, что часы Кремля показывали не точное время? Для этого нужно разобраться с тем, как это время измеряли. Такие привычные нам маленькие наручные часы всегда готовые подсказать точное время не такое уж древнее изобретение. Удивительно, но от появления солнечных часов до создания точных атомных прошло больше 3 500 лет. И все это время люди усердно работали над усовершенствованием механизмов.

Первыми простейшими часами стали солнечные часы, ночью, когда Солнца не было видно, время определяли по водяным. Сосуд наполняли водой, она капля за каплей вытекала, уровень ее понижался, а деления на сосуде указывали который час.

Так хорошо нам знакомые песочные часы впервые появились всего тысячу лет назад. И это тесно связано с развитием стеклодувного мастерства, ведь только специальным образом отлитая стеклянная форма позволила создать относительно точный прибор. При помощи песочных часов можно было измерять лишь небольшие промежутки времени, обычно не более получаса. И погрешность таких измерений для нашего сейчас понимания была просто огромная – примерно ± 15 – 20 минут в сутки.

История знает немало революций в мире измерения времени. Одна из них –  колесные часы. Во-первых, они мерили время и днем, и ночью, во-вторых в приборе были подобия знакомых нам шестеренок и стрелок.  Привод часов в действие осуществлялся при помощи гири был надежным и простым, а сила тяги –  достаточно постоянной. Однако, у механизма был один недостаток, на него, как и на всех нас действовали законы физики, которые делали измерения все-таки недостаточно точными. И вот где-то в 10 – 13 веке появляются механические часы. Точная дата создания прибора не известна, но такой хронометр в 1288 году уже украшал башню Вестминстерского аббатства.

И кажется, вот они – часы к которым мы все привыкли, но нет. Они были очень далеки от нынешнего идеала, хоть внешне и похожи.

Кому вообще в те времена сильно были нужны точные часы? Правильный ответ – ученым и мореплавателям, причем последним очень не повезло. Все изобретаемые часы недостаточно точно работали в море. Великие первооткрыватели и мореходы использовали девайсы с песком, но как я уже писала, они, во-первых, мерили малые промежутки времени, а во-вторых имели существенную погрешность. Поэтому поиски часов для мореходов продолжались долгие годы, за это время: появился крутильный маятник, вращательный балансир, анкерный спуск, а вместо гирь начали использовать пружины, это значительно повысило точность приборов и уменьшило их размеры, но существенно не изменило ситуацию для мореплавателей.

Однако эпоха великих географических открытий требовала создания точного и надежного измерителя времени. Например, из-за невозможности точно измерить время лунные таблицы, составляемые астрономами 1670-х годов для определения долготы, были не точны (погрешность от 1 до 2,5°), что приводило к ошибке от 60 – 250 км в зависимости от района земли. А это в свою очередь мешало плыть туда, куда было запланировано и не редко приводило к настоящим трагедиям. То есть вместо того, чтобы мирно причалить к какому-нибудь острову моряки, например, могли разбиться о скалы или сесть на мель. А так как морские путешествия и походы были невероятным толчком к развитию экономики, культуры и науки, то плавать люди хотели страстно. Делать это нужно было безопасно.

И вот спустя десятилетия попыток в 1735 году йоркширский столяр Джон Харрисон создал морские часы, кстати масштабно их использовать стали только после некоторых доработок, сократив их погрешность меньше чем до секунды в сутки (на это кстати ушло примерно 30 лет).

Испытывал хронометр Джеймс Кук, составивший благодаря ему карту островов Полинезии. Итак, еще каких-то 30 – 50 лет и на помощь путешественникам приходит электричество. Электрические часы решили проблему синхронизации на больших расстояниях, прибавляем еще несколько десятилетий и в 1899 году началась эра передачи сигналов точного времени по радио. Всё, все трудности с измерением времени в морских походах наконец-то были решены (каких-то + -500 лет понадобилось)! И всё бы хорошо, Землю померили, на рифы не налетаем, на свидание не опаздываем, но как говорится: «Многие знания – многие печали». Развитие физики, химии и конечно же военных дисциплин требовали все более точного измерения временных промежутков. Эта потребность открывает новый период развития технологий метрологии (наука об измерении, в том числе и времени).

Нужно сказать, что все мировое сообщество с тех пор как научилось измерять время, перемещаться между континентами и вести торговлю с другими странами, но особенно, в 19 веке активно дискутирует над вопросами метрологии (это касается не только измерения времени, но и стандартов измерения весов, длин и т.д.) Введение системы СИ, утверждение среднего времени по Гринвичу и многие другие стандартизирующие договоренности и законы появляются в 19 веке. Царская Россия эти общепринятые стандарты принимала, развиваясь в общей канве научного знания. 16 июня 1842 в Санкт-Петербурге года было основано Депо образцовых мер и весов. Этот день считается днем рождения первого метрологического учреждения России, ныне ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Множество полезных и значимых работ провели сотрудники этого учреждения (оно работает и по сей день), долгие годы его руководителем был сам Д.И. Менделеев, но сегодня рассказ не об этом.

Итак, всю предыдущую часть главы мы говорили о часах, предназначенных для замера астрономического временем, в основе которого была астрономическая секунда, равная 1/86400 части средних солнечных суток, но научное знание развивалось и учёные заметили, что скорость вращения Земли неравномерна и для более точного измерения времени нужно ориентироваться на что-то другое. На помощь пришла атомная физика. В конце 19 века появляются первые теории, что колебательными элементами в часах могут быть атомы некоторых элементов, развитие идей микроволновой спектроскопии, простыми словами возможности атомов элементов излучать и поглощать энергию, привело к созданию такого концепта, как атомное время и собственно атомные часы.

Первые атомные часы появились еще в 1949 году, в качестве источника колебаний в них выступал не маятник и не кварцевый генератор, а сигналы, связанные с квантовым переходом электрона между двумя энергетическими уровнями атома. Они к слову были недостаточно точными как хотелось бы. Тогда ученые начали экспериментировать с атомами в составе механизмов, использовали: цезий, водород, рубидий. Эксперименты были достаточно успешными, как и сама идея, так в 1955 г. международное атомное время TAI начали использовать в качестве временного стандарта. Атомная секунда определена как 9 192 631 770 колебаний невозмущенных переходов между двумя энергетическими уровнями цезия 133. Шкала времени TAI была совмещена со шкалой UT1.

Итак, точное время стали высчитывать при помощи квантовых (атомных) часов делали это в специальных учреждениях, так называемых центрах/службах времени. Это вынужденная мера, так как механизмы были весьма сложными, дорогими и требовали профессионализма в использовании и настройке. С тех пор именно c данными от этих точных механизмов так или иначе сверяются навигационные системы мира, часы в компьютере и т.д.. В мире существует не так много центров стандартов частоты, в которых установлены атомные часы. Они есть в США, Японии, Германии, Франции, Великобритании и у нас. В России эталонные атомные часы находятся во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений, о котором я уже кратко писала и появились они там благодаря усилиям группы ученых во главе с Сергеем Пушкиным.

Конструктор самых точных атомных часов

Итак, чтобы обеспечивать все возрастающие потребности ученых и военных был создан институт, у истоков которого, стояли Борис Власов, Владимир Титов, Виктор Татаренков, Сергей Пушкин, и др.

С 1961 года в институте началась работа по обоснованию создания Службы единого времени высокой точности. Это было необходимо для обеспечения всех видов и родов войск Вооружённых сил СССР частотно-временной информацией в соответствии с их тактико-техническими требованиями. Так, в 1964 году во ВНИИФТРИ начались работы по созданию комплексов аппаратуры для создания государственного эталона, воспроизводящего и хранящего размер атомной секунды и атомной шкалы времени. Лидирующую позицию в этой работе занимал Сергей Пушкин. В 1967 году эталон был официально утвержден Госстандартом. Основу его составили квантово-механические водородные генераторы и группа высокоточных кварцевых часов. Государственный эталон времени и частоты обеспечивал воспроизведение единиц измерений с погрешностью 1×10⁻¹¹

Обычно атомные часы состоят из нескольких частей:

• ·       квантовый дискриминатор,
• ·       кварцевый генератор,
• ·       комплекс электроники.

Кварцевый генератор-автогенератор, в качестве резонансного элемента которого используются пьезоэлектрические моды кварцевого кристалла. Генерируемые им электромагнитные колебания имеют фиксированную частоту, равную, как правило, 10 МГц, 5 МГц или 2,5 МГц. Обычно долговременная стабильность кварцевого резонатора мала Δ𝜈/𝜈=10−7. Чтобы ее повысить используют колебания атомов или молекул, для чего колебания кварцевого генератора 𝜈𝑜постоянно сравниваются c помощью частотно-фазового компаратора с частотой атомной линии𝜈𝑎, регистрируемой в квантовом дискриминаторе. При появлении разницы в фазе и частоте колебаний схема обратной связи подстраивает частоту кварцевого генератора до требуемого значения, повышая тем самым стабильность и точность часов.

Теперь в СССР был собственный эталон атомного времени, 1 января 1972 г. сигналы радиостанций Государственной службы времени и частоты СССР были согласованы с международной шкалой с погрешностью менее 50 мкс. Это значило если не делать им сверки — одна секунда за 500 тысяч лет!

Несколько десятилетий Сергей Борисович был бессменным хранителем уникальных часов — «Часов Пушкина». За это время они претерпели немало изменений и усовершенствований и работают, правда время теперь показывают точнее, чем в 60-е.

Из воспоминаний С. Пушкина

В 1975 году в институт, где я работал приехал профессор Бернард Гино, «отец» атомного времени Франции — представитель организации, обеспечивающей существование единой системы измерений во всех странах-участницах метрической конвенции, в том числе и в России. В этом Бюро хранят международные эталоны основных единиц измерения. По словам представителей ВНИИФТРИ, гость восхитился советскими водородными хранителями времени, которые когда-то были лучшими в мире.

Что сейчас? Сейчас мы уже знаем, что идеал, как бы банально это не звучало притягателен, но недостижим, однако это не мешает ученым примерно каждые 5 лет изобретать новые способы сделать часы точнее.

Сегодня

Сейчас за эталонное время в России по-прежнему отвечает «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений». А эталон времени, созданный и функционирующий в институте, входят в число лучших в мире. Действующий сегодня эталон был утверждён в 2022 г. В результате совершенствования прошлого эталона ученым удалось уменьшить доверительные границы НСП воспроизведения единиц в оптическом диапазоне, относительную нестабильность частоты эталона, пределы допускаемых смещений национальной шкалы времени относительно UTC.

ГЭВЧ находится в помещениях общей площадью более 1000 кв.метров. В них поддерживаются постоянные температура и влажность, неизменные характеристики магнитного поля, а сейсмоустойчивые фундаменты позволяют избегать любых сотрясений.

На сегодняшний день в России насчитывается более 1700 типов средств измерений времени и частоты, включённых в Государственный реестр. В Росси содержится и применяется 7 вторичных эталонов единиц времени и (или) частоты, более 100 000 рабочих эталонов, совокупное количество средств измерений, прослеживаемых к ГЭТ 1 – более 50 млн.

С 2018 году, в результате пересмотра Международной системы единиц, на 26-й ГКМВ приобрело следующую форму.

Секунда, обозначение с (s), есть единица времени в SI. Она определяется путем принятия фиксированного числового значения частоты перехода сверхтонкого расщепления невозмущенного основного состояния атома цезия-133 ∆ν_Cs равным 9 192 631 770 при выражении в единице Гц, что соответствует с^-1.

Это определение означает точное соотношение ∆ν_Cs = 9 192 631 770 Гц. Обратное отношение дает точное выражение для единицы «секунда» через определяющую константу ∆ν_Cs.  Следствием из этого определения является то, что секунда равна продолжительности 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями невозмущенного основного состояния атома цезия-133.

Сегодня научный мир уже весьма активно присматривается к оптическим атомным часам. Это относительно новое поколение хронометров в которых используются оптические решетки улавливающие и измеряющие тысячи атомов одновременно.

Ученые не останавливаются и регулярно изобретают что-то, что позволяет увеличить точность часов. Изменяют атомы элементов, охлаждают их и т.д.

Так, например, в 2016 году российские ученые запустили самые точные в мире атомные часы. Погрешность устройства составляла только одну секунду в 300 миллионов лет. Вместо цезия в них стали использовать атомы тулия. Они обеспечивали большую точность. А совсем недавно, ученые из института JILA смогли создать часы, которые как обещают отстанут на секунду за 30 млрд лет. В них используются уже атомы стронция, охлажденные на доли градуса выше абсолютного нуля. Обещают, что уникальная точность всего в 8,1 части в десятой миллиардной доле миллиарда откроет новые огромные возможности. Например, повысит точность систем GPS в тысячу раз, поможет изучить основы физики, в частности, общую относительность Эйнштейна. Оптические атомные часы способны обнаружить малейшие эффекты искривления пространства-времени даже на микроскопических масштабах.

В целом, регулярно увеличивая точность часов метрологи в 21 веке стараются не для решения бытовых потребностей и даже не столько для нужд IT, экономики и промышленности – их потребности в целом удовлетворены. Такое уточнение времени скорее важно для ученых физиков, химиков, занимающихся сверхмалыми измерениями и изучениями законов природы. Но конечно же, научные открытия, которые можно делать на основе уточненного понимания времени, когда-нибудь повлекут за собой и новые технологические решения, которые изменят и жизнь обычных людей.

Зачем ИТ-индустрии точное время

Возможно это будет звучать пафосно, но без точного времени сложно вообще представить возможность работы ИТ. Это базовая потребность. В ИТ от точности часов, например, зависят:

• – спутниковые ресиверы;
• – совместная работа компьютеров в локальной сети;
• – SSL-сертификаты, логирование и сохранение данных;
• – работа в базах данных с разных ПК;
• – работа функции двойная аутентификация;
• – навигационные системы;
• – точное приборостроение;
• – синхронное вещание, телевидение, средства связи, информация в системах управления.

И еще многое, многое другое.

В общем, без точного времени работа современных информационных систем маловероятна, а без обеспечения синхронизации времени невозможными бы стали – совместная работа с разных устройств, обеспечение ИБ и многое другое. Позволяют это делать разные шкалы исчисления времени и протокол NTP.

Наследие Пушкина

В фондах Всероссийского музея Александра Сергеевича Пушкина до сих пор хранятся его золотые карманные часы, остановленные в минуту его гибели. Редкий экспонат показывает одно единственное время 14:45 пополудни, момент, когда закатилось солнце русской поэзии. Часы, изобретенные Сергеем Пушкиным, не останавливались, да и само время оказалось к нему более благосклонным. Он прожил долгую жизнь, скончавшись в 2015 году, всего несколько дней не дожил Сергей Борисович до своего 90-го дня рождения. Человек удивительной судьбы. Он участвовал в ВОВ, занимался наукой, хранил и передавал память об известном предке, создал крепкую семью и оставил после себя немало научных последователей. За свою работу он был удостоен государственных наград. Им было написано более 150 научных трудов, переведенных на многие языки мира, а его часы положили начало эре атомных измерений времени в СССР.

Созданы самые точные оптические атомные часы на основе атомов алюминия, стронция и иттербия

Иллюстрация: BACON collaboration / Nature.

Физикам удалось найти отношения частот оптических атомных часов на основе атомов алюминия, стронция и иттербия с относительной точностью в интервале между 6 × 10⁻¹⁸ и 8 × 10⁻¹⁸. Таким образом ученые впервые сравняли порядок ошибки при сравнении показаний двух оптических часов на разных атомах с точностью измерения времени на этих устройствах. Между двумя из использованных устройств, расположенных на расстоянии 1,5 километров, исследователи наладили оптическую связь по воздуху и использовали ее для сравнения частот часов, что тоже удалось сделать в первый раз. В будущем такая технология позволит, к примеру, устанавливать оптические часы на спутники и сверяться с ними на большом расстоянии. А накопленные данные исследователи использовали для того, чтобы наложить ограничения на существование легчайших частиц темной материи. Статья опубликована в журнале Nature. Атомные часы — самый точный на настоящий момент способ измерения времени.

Схема связи трех использованных оптических часов. BACON collaboration / Nature

Принцип их работы основан на том, что каждый атом может излучать и поглощать фотоны только с определенными частотами, которые являются резонансными для конкретного атома. Эти частоты практически не зависят от внешних факторов и определяются законами квантовой механики, ведь согласно ей атом — система с дискретными энергетическими уровнями со строго заданным положением, при переходе между которыми электрон и должен излучить или поглотить фотон определенной энергии, а значит и частоты. Так, с 1968 года эталон секунды определен как 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры атома цезия-133.

Основа самих атомных часов на цезии-133 — микроволновый резонатор, настроенный на используемую микроволновую частоту перехода в атоме. Такие устройства позволяют измерять время в секундах с точностью до 16 знаков после запятой, но их точность ограничена возможностью измерения и контролирования отклонений в десятки микрогерц в искомой резонансной частоте. Поэтому на смену микроволновым атомным часам пришли оптические: в них в качестве эталона используются такие переходы в атомах, которые приводят к возникновению фотонов с частотой в оптическом диапазоне. В таких часах резонансная частота иногда в 100 тысяч раз больше, чем у их микроволновых предшественников, что позволяет добиваться улучшения стабильности часов и уменьшения относительной статистической погрешности в определении времени в 100 раз, то есть до 10^-18.

Однако, чтобы использовать оптические атомные часы в практических задачах, физикам нужно уметь сравнивать их частоты с той же точностью, с которой они измеряют время. И хоть ученые добились такой точности для сравнения работы устройств, в которых используются одни и те же атомы, для атомных часов с различными резонансными частотами все существенно хуже. Так, наименьшая относительная погрешность сравнения таких частот до недавнего времени составляла лишь 2,5 × 10⁻¹⁷. Между тем только для стронция-86 и ртути-199 измерения отношения оптических резонансных частот были проведены в двух независимых лабораториях: значение совпало в пределах суммарной относительной погрешности в 2 × 10⁻¹⁶ (работы [1] и [2]).

Умение проводить такие сравнения с большей точностью необходимо для целого ряда задач в рамках поиска Новой физики. Так, оптические часы позволяют искать отклонения значений фундаментальных констант, с их же помощью ученые пытаются найти следы легкой темной материи. Кроме того, развитие этой технологии позволило бы использовать оптические часы и в технике: к примеру, они бы смогли существенно повысить точность геодезии и создать более точную глобальную систему хронометража. Но для этого есть еще одна преграда: сравнение резонансных частот оптических часов пока осуществлялась только с помощью приведения двух таких устройств в контакт с помощью оптоволоконных линий, а физикам хотелось бы иметь возможность делать такую калибровку по воздуху. Такой возможностью до недавнего времени могли похвастаться только микроволновые атомные часы.

Теперь же ученые из коллаборации BACON (Boulder Atomic Clock Optical Network) одновременно смогли и улучшить точность сравнения частот оптических часов на различных атомах, и использовать при этом передачу информации между двумя часами по воздуху. Физики измерили отношения резонансных частот трех оптических часов, двое из которых были расположены в кампусе Национального института стандартов и технологий (NIST), а одни — в институте JILA. Оба учреждения расположены в городе Боулдер, что позволило физикам соединить оптические часы на основе атомов алюминия-27 и иттербия-171 в NIST и стронция-87 в JILA с помощью оптоволоконной линии длиной 3,6 километра и линии связи в оптическом диапазоне по воздуху длиной 1,5 километра.

Для передачи информации о частоте атомных часов использовались оптические частотные гребенки — устройства, позволяющие с высокой точностью измерять частоту регистрируемого излучения. Именно с их помощью измерялась частота лазеров, которые были напрямую связаны с оптическими часами и их частотами, и излучение которых перенаправлялось между лабораториями по оптоволокну, а в случае сравнения частот часов с иттербием и стронцием — и по воздуху. Относительная погрешность, которую оптические частотные гребенки вносили в измерения, оказалась равна всего 5 × 10⁻¹⁹, а наибольшую погрешность давали системы, контролирующие калибровку лазера при его взаимодействии с оптическими часами.

Результаты измерений отношения частот оптических часов с различными атомами. BACON collaboration / Nature

В результате исследователям удалось измерить отношения частот перехода ¹S₀ ↔ ³P₀ (частота которого и являлась резонансной для оптических часов) в атомах алюминия-27, иттербия-171 и стронция-87 с относительной точностью в пределах между 6 × 10⁻¹⁸ и 8 × 10⁻¹⁸. Такая точность измерений на порядки больше предыдущих результатов, ранее полученных коллаборацией и другими лабораториями.

Сравнение точности измерений отношения частот оптических часов с указанными атомами с предыдущими результатами. BACON collaboration / Nature

Кроме того, как уже упоминалось, отношения частот оптических часов очень чувствительны к физике за пределами Стандартной модели. Так, ряд моделей предсказывает существование крайне легких бозонных частиц темной материи, которые могут приводить к колебаниям значений фундаментальных констант. Такие колебания при их наличии неизбежно будут приводить к периодическим изменениям положения энергетических уровней в атомах, а значит с помощью продолжительного измерения отношения частот атомных часов можно наложить ограничения на взаимодействие таких темных легких бозонов с материей. Именно это и сделали участники коллаборации BACON: накопленных данных оказалось достаточно для усиления ограничений на константу взаимодействия темной материи вплоть до одного порядка на диапазоне масс темных частиц от 10^-23 до 10^-18 электронвольт.

Полученные ограничения на константу взаимодействия темной материи с веществом. Серый цвет – результаты других исследований, цветная область – дополнение к ограничениям. BACON collaboration / Nature

Ранее мы уже писали о том, как с помощью оптических часов на основе атомов стронция в лаборатории JILA удалось ограничить темную материю, и о том, как такой метод помогает физикам искать Новую физику.

Авторы: @Kate_two, Никита Козырев
Источники: https://habr.com/, https://nplus1.ru/