Сверим атомные часы: зачем науке будущего нужно так точно измерять время.

Атомные часы — это сверхточные инструмент измерения времени, который сегодня имеет ничтожную погрешность в секунду на несколько миллиардов лет. Такой механизм не носят на руке, чтобы не опоздать на работу, а используют для того, чтобы вычислять огромные расстояния между планетами, при отображении глобальных карт и даже для того, чтобы измерить искажение пространства-времени. Подробнее о том, почему наука не может обойтись без атомных часов.

Как атомные часы измеряют время?
В конструкции атомных часов есть кварцевый кристалл: он сжимается и разжимается, именно этот процесс заставляет часы работать. Этот процесс контролируют колебания внутри атома. Эти колебания — периодические переходы между возбужденным и основным энергетическими уровнями в атомах.

Чтобы понять, как это работает, нужно вспомнить строение атома. В центре есть ядро, которое заряжено положительно: вокруг находятся заряженные отрицательно электроны, каждый на своей орбите. При этом каждый из них находится на конкретном энергетическом уровне, то есть имеет то или иное количество энергии за счет притяжения к ядру.

Этот уровень можно изменить, если послать электрону большее количество энергии, для этого можно, например, нагреть атом. Потом электрон снова вернется на свой уровень и отдаст излишки в виде излучения. Вот на этом излучении все и построено: оно имеет определенную частоту и напоминает маятник в часах.

Сегодня атомные часы могут работать на атомах рубидия, стронция, водорода: принцип от этого не меняется.
Конструкцию атомных часов постоянно улучшают, например, был изобретен механизм, который отстает на одну секунду раз в несколько сотен миллиардов лет.

Без атомных часов не будет навигации на Земле и в космосе.
Атомные часы нужны в первую для навигации: ГЛОНАСС и GPS, так как эти системы определяют расстояние по времени, за которое сигнал проходит от точки на Земле до спутника и обратно. Часы используют для измерения расстояния между объектами исходя из замеров, сколько времени требуется сигналу для перемещения из точки A в точку Б.

В настоящее время для навигации, чтобы точно определить местоположение космического корабля, используются атомные часы на Земле размером с холодильник.

Может пройти больше часа, пока сигнал дойдет до космического корабля и вернется на Землю.
По этим данным вычисляются координаты и инструкции: их отправляют обратно на космический корабль.

Если на борту космического корабля будут собственные часы, то он сможет сам рассчитывать свою траекторию. Это позволит путешествовать дальше и безопасно транспортировать людей на другие планеты.

Узнать расстояние между планетами с помощью атомных часов.
Но основной заказчик атомных часов — астрономы. Они используют атомные часы, чтобы измерять огромные расстояния в космосе и определять, сколько нас отделяет от определенной планеты или астероида.

Для этого они посылают сигнал и фиксируют время его возвращения. Если погрешность будет хоть на секунду, то можно потерять примерно триста тысяч километров в точности.

Как атомные часы помогут найти темную материю.
Темная материя может воздействовать на нашу обычную материю и у этого должны быть последствия. Одним из них может быть изменение постоянной тонкой структуры, одной из фундаментальных физических констант.

Постоянная тонкой структуры — это отношение скорости вращения электрона на первой орбитали к скорости света, и она равна примерно 0,007.

Ученые ранее считали, что эта константа всегда равна одной и той же величине, но, как показали недавние открытия она может незначительно меняться.
По одной из теорий, темная материя — это топологические дефекты пространства, возникшие во время Большого взрыва. Они могут повлиять на постоянную.
Ученые использовали несколько атомных часов, так как дефекты топологии должны действовать на отдаленные предметы в пространстве по-разному должны действовать на разные часы, разнесенные в пространстве.
Для того, чтобы повысить точность, авторы объединили часы для повышения точности в сеть из четырех устройств, каждое находилось в одной из стран: в Польше, США, Японии и Франции. Данные от всех устройств сводятся вместе, чтобы анализировать топологические эффекты.

Сверхточные атомные часы смогут измерить искажение пространства-времени.
Ученые уверены, что достаточно точные атомные часы могут служить инструментом, измеряющим, как объекты за счет гравитации искажают окружающее пространство.

Физики из Национального института стандартов и технологий в Боулдере использовали лазеры и создали импровизированную ловушку для атомов: она выглядела как несколько очень маленьких чашек.

Тысячи атомов иттербия заполняют эти чашки, если воздействовать на них лазерным лучом правильной частоты,а электроны на орбите совершат переход на один энергетический уровень.

В такой системе электроны будут делать более квадриллиона переходов. Как только лазер настроен на «идеальную» частоту, начинается перевод информации из частоты лазерного излучения в сигнал, который может принять и расшифровать электронное устройство, то есть те самые часы.

Ученые смогли настроить лазер так, что теперь полученные данные помогут определить влияние гравитации на само пространство-время.

Атомные часы — это важный инструмент измерения такой эфемерной величины как время. Без него не получится отследить малейшие изменения в земном времени или измерить расстояние до соседних планет и галактик.
А в будущем атомные часы станут незаменимы при колонизации планет и изучении темной материи.
Но вряд ли когда-нибудь они станут бытовым гаджетом.

Источник: hightech...
#интересно