Это сломает физику и время. Ученым удалось синхронизировать сверхточные часы на рекордном расстоянии

В своей новой работе, опубликованной в журнале Nature китайские ученые под руководством Цзянь-Вей Паня, физика из Университета науки и технологий Китая сумели синхронизировать работу двух хронометров — специальных механических часов — на расстоянии в 113 километров. Это поможет уже к 2030 году переопределить настоящую длительность секунды.

Физик-экспериментатор из Университета Западной Австралии Дэвид Гоззард называет результат китайских исследователей «выдающимся». Предыдущий рекорд подобной синхронизации составляет 16 километров, что в семь раз меньше обновленного показателя. Достижение идеальной синхронизации часов на расстоянии в 113 километров является «значительным прогрессом в возможности сделать это между спутником и землей», отмечает Гозард.

Синхронизация часов на увеличенном расстоянии открывает возможности дополнительных исследований и даже дает нам шанс найти новую физику. Например, подобную пару часов можно использовать для проверки общей теории относительности, согласно которой время должно течь медленнее в местах с более сильной гравитацией.

Кроме того, синхронизированные часы могут помочь ученым точнее отслеживать изменения гравитационного поля из-за движения массивных объектов — например, тектонических плит.

И это не говоря о более практическом использовании «обновленной» секунды как точность систем GPS (они определяют расстояние по времени, за которое сигнал от определенной точки Земли достигает спутника) или отслеживание транзакций на фондовом рынке. В США и вовсе планируют использовать сверхточные часы для усовершенствования систем хронометража и потенциальной замены GPS, ведь спутниковый сигнал доступен не на каждой точке планеты.

В прошлом месяце появилось исследование британских ученых, в ходе которого им удалось достичь квантовой запутанности двух атомных часов, находившихся в двух метрах друг от друга. Это тоже интересная концепция, которая потенциально позволит нам рассчитать время с точностью до (10^-18 сек). Фактически, такая пара атомных часов позволит исследователям выйти за традиционные границы измерений. У сети квантово-запутанных атомных часов есть свои интересные направления для применения вроде отслеживания гравитационных волн и поиска темной материи.

Правда, для создания глобальной, единой и четко работающей сети для определения секунды этого может быть недостаточно — необходима идеальная синхронизация десятков, а то и сотен различных сверхточных часов по всему миру.

А сделать это не так просто, ведь, например, электромагнитое излучение цезиевых часов слишком низкочастотное, чтобы передавать высокочастотное «тиканье» оптических часов, использующих стронций. Это создает проблему для синхронизации различных видов часов, каждый их которых определяет секунду по-своему.

До сих пор ученые обычно использоваться оптоволоконные кабели для передачи сигнала между двумя часами или и вовсе перевозили их друг ко другу. Однако это совершенно непрактично и, мягко говоря, нереалистичо.

Китайские физики сделали первый шаг к улучшению этой технологии. Для создания сигнала, который передавался между часами они использовали оптические частотные гребенки. Это устройства, которые производят чрезвычайно стабильные и точные импульсы лазерного света.

Чтобы воздух не влиял на сигнал (молекулы воздуха поглощают свет, понижая мощность сигнала, а определенные колебания могут и вовсе направить его в сторону от конечной цели), они использовали специальные усилители. Кроме того, ученые отдельно оптимизировали приемники сигнала, чтобы те улавливали самые маломощные импульсы.

Эксперименты показали, что их способ синхронизации двух хронометров практически достиг уровня оптических часов — разница в одну секунду будет возникать приблизительно каждые 80 миллиардов лет. Гоззард отмечает, что это — фантастический результат, однако в дальнейшем необходима еще большая точность, чтобы говорить об официальном обновлении секунды на основе подобных измерений.

Если физикам удастся преодолеть этот шаг, а также разработать способ передачи сигналов между часами на Земле и в космосе, то это позволит нам говорить об исследованиях фундаментальной физики на принципиально новом уровне.