Начинът, по който часовникът или телефонът ви отчитат времето, може да е напълно достатъчен за ежедневието, но учените се стремят към много по-висока прецизност и използват атомни часовници, за да измерват интервалите от време възможно най-точно. Тези часовници се основават на „тиктакането“ на светлинни вълни или микровълнови сигнали, регулирани от електрони, които сменят енергийните си нива под въздействието на външен източник на енергия. Тъй като тези преходи се извършват с точно определена честота за всеки вид елемент, дори един-единствен негов атом може да послужи за гарантиране на прецизността на отчитането.

Вече разполагаме с нов атомен часовник, който подобрява всички досегашни рекорди по точност. Той използва елемента лутеций и измерва продължителността на една секунда с несигурност, по-малка от една десетмилиардна от милиардната част от секундата – постижение, което е около четири пъти по-добро от всичко регистрирано досега.

С други думи, ако часовникът работи в продължение на 300 милиарда години (което се равнява на приблизително десет милиарда милиарда секунди), отклонението му би било по-малко от една секунда. Изследователите, разработили устройството – екип от Националния университет на Сингапур, – публикуваха резултатите от работата си в сп. Nature.

„Уверен съм, че разполагаме с най-точния часовник в света“, казва физикът Мъри Барет. „Просто не виждам как този часовник би могъл да бъде надминат в бъдеще.“

Традиционно в атомните часовници като еталонен елемент се използва цезий, но през последните години се изпитват и други елементи, включително стронций. Тези елементи трептят по-бързо от цезия, което означава повече „тикове“ в секунда.

Изследователите проучват възможността за използване на лутеций вече цяло десетилетие и засега са единственият екип, успял да реализира потенциала му за отчитане на времето. Елементът се отличава най-вече със своята стабилност. Атомната му структура го прави изключително устойчив на въздействието на топлина, магнетизъм и движение – фактори, които биха могли да нарушат преходите между енергийните състояния на електроните.

„Благодарение на тези добри характеристики може да се постигне висока точност дори в широк спектър от условия на околната среда“, казва Барет.

„Лутециевият часовник би останал стабилен, дори ако бъде преместен от най-горещото място на Земята, регистрирано в Долината на смъртта, до най-студеното – на Антарктическото плато.“

За да проверят точността на своя атомен часовник, изследователите създадоха втори, също базиран на лутеций. След като бяха направени корекции съгласно Айнщайновата обща теория на относителността (тъй като часовниците не се намираха на едно и също място), двата уреда бяха сравнени помежду си.

В хода на измервания, продължили общо 12 дни (или 200 часа), разликите между двата часовника се оказаха толкова незначителни, че на практика бяха нулеви.

„Има една шега, че човек с един часовник знае колко е часът, докато човек с два часовника никога не е сигурен“, отбелязва физикът Кайл Арнолд. „Това всъщност показва, че единственият начин да се провери точността на даден еталон е чрез сравняване на часовници и демонстриране на възпроизводимост.“

Освен че служат като изключително точен ориентир за времето, тези свръхпрецизни уреди са безценни за някои от най-фундаменталните мащабни изследвания във физиката – например измерването на това как се променя гравитацията на различни места по Земята.

За да усъвършенстват технологията на атомните часовници, изследователите искат да намалят размерите им (в момента те заемат цяла лаборатория), така че да могат да бъдат пренасяни. Това ще позволи точността им да се тества на повече места и ще даде възможност за практическото им приложение (например за наблюдение на подземни магмени процеси).

Тук отново на помощ идват свойствата на лутеция. При работата с този елемент се използват стандартни лазери, които не заемат прекомерно много място, а самата система функционира при стайна температура, без да са необходими обемисти охладителни съоръжения.

„Следващата стъпка е да превърнем лабораторния часовник в миниатюризирана, преносима система“, завършва физикът Майкъл Лий.

Снимка: Unsplash

Виж още: Слънчевата система някога е имала девет планети, а Слънцето може би е погълнало една от тях