Це зламає фізику та час. Науковцям вдалося синхронізувати надточний годинник на рекордній відстані

У своїй новій роботі, опублікованій у журналі Nature, китайські вчені під керівництвом Цзянь-Вей Паня, фізика з Університету науки та технологій Китаю зуміли синхронізувати роботу двох хронометрів — спеціальних механічних годинників — на відстані 113 кілометрів. Це допоможе вже до 2030 року перевизначити справжню тривалість секунди.

Фізик-експериментатор із Університету Західної Австралії Девід Гоззард називає результат китайських дослідників «видатним». Попередній рекорд подібної синхронізації становить 16 кілометрів, що у сім разів менше за оновлений показник. Досягнення ідеальної синхронізації годинника на відстані 113 кілометрів є «значним прогресом у можливості зробити це між супутником і Землею», зазначає Гозард.

Синхронізація годинника на збільшеній відстані відкриває можливості додаткових досліджень і навіть дає нам шанс знайти нову фізику. Наприклад, подібну пару годинників можна використовувати для перевірки загальної теорії відносності, згідно з якою час повинен протікати повільніше в місцях із сильнішою гравітацією.

Крім того, синхронізований годинник може допомогти вченим точніше відслідковувати зміни гравітаційного поля через рух масивних об'єктів — наприклад, тектонічних плит.

І це не кажучи про практичніше використання так званої «оновленої» секунди як точність систем GPS (вони визначають відстань за часом, за який сигнал від певної точки Землі сягає супутника) або відстеження транзакцій на фондовому ринку. У США планують використовувати надточний годинник для вдосконалення систем хронометражу і потенційної заміни GPS, адже супутниковий сигнал доступний не в кожній точці планети.

Минулого місяця з’явилося дослідження британських учених, під час якого їм вдалося досягти квантової заплутаності двох атомних годинників, що знаходилися за два метри один від одного. Це теж цікава концепція, яка потенційно дозволить нам розрахувати час з точністю до (10^-18 сек). Фактично така пара атомного годинника дозволить дослідникам вийти за традиційні межі вимірювань. У мережі квантово-заплутаних атомних годинників є свої цікаві напрямки для застосування на кшталт відстеження гравітаційних хвиль та пошуку темної матерії.

Щоправда, для створення глобальної, єдиної мережі, що чітко працює, для визначення секунди, цього може бути недостатньо — необхідна ідеальна синхронізація десятків, а може, й сотень різних надточних годинників по всьому світу.

А зробити це не так просто, адже, наприклад, електромагнітне випромінювання цезієвого годинника занадто низькочастотне, аби передавати високочастотне «цокання» оптичних годинників, які використовують стронцій. Це створює проблему для синхронізації різних видів годинника, кожен з яких визначає секунду по-своєму.

Досі науковці зазвичай використовували оптоволоконні кабелі для передачі сигналу між двома годинами або взагалі перевозили їх один до одного. Однак це абсолютно непрактично і, м’яко кажучи, нереалістично.

Китайські фізики зробили перший крок до покращення цієї технології. Для створення сигналу, який передавався між годинником, вони використовували оптичні частотні гребінці. Це пристрої, які виробляють надзвичайно стабільні та точні імпульси лазерного світла.

Аби повітря не впливало на сигнал (молекули повітря поглинають світло, знижуючи потужність сигналу, а певні коливання можуть і геть спрямувати його в бік від кінцевої мети), вони використовували спеціальні підсилювачі. Крім того, вчені окремо оптимізували приймачі сигналу, щоб ті вловлювали найпотужніші імпульси.

Експерименти показали, що їхній спосіб синхронізації двох хронометрів практично сягнув рівня оптичного годинника — різниця в одну секунду виникатиме приблизно кожні 80 мільярдів років. Гоззард зазначає, що це — фантастичний результат, проте надалі потрібна ще більша точність, аби говорити про офіційне оновлення секунди на основі подібних вимірів.

Якщо фізикам вдасться подолати цей крок, а також розробити спосіб передавання сигналів між годинниками на Землі та в космосі, то це дозволить нам говорити про дослідження фундаментальної фізики на новому рівні.