До сих пор эталоном времени служили цезиевые часы, созданные в середине прошлого века. Сейчас появились оптические атомные часы нового поколения. Их усовершенствованием занимаются в физических лабораториях разных стран. Однако их точность уже не устраивает учёных. Поэтому на XXVII Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ), недавно завершившейся во Франции, решили к 2030 году разработать новое определение секунды. И приняли дорожную карту, по которой к следующему заседанию ГКМВ в 2026-м надо подготовить соответствующие предложения.

Как рассказывает РИА Новости, всем известно, что сутки делят на 24 часа, час – на 60 минут, минуту – на 60 секунд с глубокой древности. До ХХ века секунда равнялась одному качанию маятника часов. Новые средства коммуникации, связь со спутниками и космическими кораблями, сложнейшие научные эксперименты требовали куда больше точности. В 1955-м британский физик Луис Эссен продемонстрировал, что атомные процессы отличаются сверхстабильной периодичностью. Точность первых атомных цезиевых часов достигала 10 в −10 степени. У модели последнего поколения NIST-F2 с лазерным охлаждением, функционирующей с апреля 2014-го в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST), – 10 в −16 степени. То есть погрешность в одну секунду накапливается за 300 миллионов лет.

Кроме того, в разных лабораториях мира создали прототипы атомных часов с частотой перехода в оптическом диапазоне. Точность – минимум на два порядка выше.

В России центр стандартов времени и частоты – Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Атомными часами занимаются в Физическом институте имени П. Н. Лебедева (ФИАН) РАН и Институте лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ.

Основное требование ГКМВ – точность не ниже 5 х 10 в −18 степени. Ещё одно условие – выполнить замеры, повторить и верифицировать в двух лабораториях. То есть, помимо собственно атомных часов, нужны инструменты сличения стандартов частоты в оптическом диапазоне.

Причём лаборатории могут находиться на значительном расстоянии друг от друга, в том числе на разных континентах, и в измерениях необходимо учитывать поправку на различие гравитационного потенциала. Для этого требуются сверхточные гравиметры, над которыми работают ученые из ВНИИФТРИ.

По оценкам консультативного комитета по времени и частоте Международного бюро мер и весов (BIPM) во Франции, исследования в конкурирующих научных коллективах разных стран завершены примерно на 30 процентов.

В большинстве лабораторий рассматривают часы на основе атомов стронция или иттербия, способных излучать или поглощать фотоны в видимой части спектра. Еще работают с рубидием, алюминием, ртутью. В ФИАН, например, занимаются тулием.

Вместе с тем российские физики изучают принципиально другую схему – ядерные часы. Там переходы не электронов, а изомеров – метастабильных состояний ядра, в которых один или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают более высокие или низкие энергетические уровни. Конкретно – экспериментируют с низкоэнергетическим изомерным переходом в ядре тория−229.

Чтобы возбудить атом, нужно подобрать частоту световой волны, соответствующую энергии перехода. А у тория−229 она настолько низкая, что возможно прямое лазерное возбуждение. Ожидается, что ядерные часы будут на порядок точнее, чем лучшие современные оптические атомные часы, и приблизятся к уровню 10–19. При таком показателе погрешность в одну секунду накопится за 30 миллиардов лет, что значительно превышает возраст Вселенной.

Столь высокая точность нужна для определения положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, беспилотных автомобилей. Атомные часы используются в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в базовых станциях мобильной связи, а также международными и национальными бюро стандартов и службами, которые транслируют сигналы точного времени.

В частности, Международное бюро мер и весов, ежедневно сверяя через спутниковую связь атомные часы по всей планете, рассчитывает Всемирное координированное время (UTC) для глобальной навигации, спутниковой связи, служб синхронизации информационных сетей и всех гражданских приложений с геолокацией.

В сверхточных оптических часах заинтересованы такие российские организации, как ГЛОНАСС, Единая система координатно-временного обеспечения России, предприятия “Роскосмоса”.

Но прежде всего новый стандарт нужен для более точного измерения частоты – величины, обратной времени. Каждый переход – например, с наносекундного (10 в −9 степени) на пикосекундный (10 в −12 степени), а затем и на фемтосекундный (10 в −15 степрени) – это другой технологический уровень. Уже сейчас существуют приборы, способные работать на частотах, обратных аттосекунде (10–18). Их ждут гравиметристы, геодезисты, геофизики, геологи, океанологи и другие ученые. Но универсального стандарта времени для калибровки пока нет.

О научной значимости этого направления говорит то, что в 1997-м за создание методов охлаждения и удержания атомов с помощью лазерного света, который на два порядка поднял точность атомных часов, присудили Нобелевскую премию по физике. Ещё три – в 2001-м, 2005-м и 2012-м – дали за открытия, имеющие прямое отношение к разработке и развитию технологии атомных часов.