Атомные часы: от навигации до поисков темной материи. Д.ф.-м.н. Ксения Хабарова

Атомные часы, без которых сложно представить современную спутниковую навигацию, имеют массу неочевидных применений: от поиска темной материи и дрейфа фундаментальных констант до составления карты гравитационного потенциала Земли. О том, зачем нужны атомные часы и как они работают, порталу «Научная Россия» рассказала руководитель лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) Ксения Хабарова.

― Что такое атомные часы и для чего они используются?

― Атомные часы, как и любые другие часы, в первую очередь нужны для того, чтобы измерять время, — ведь оно, как и любая величина, нуждается в эталоне. В нашей жизни существует много разных эталонов, на которые мы опираемся: эталон длины, эталон сопротивления и т.д. Изначально люди измеряли время по вращению Земли вокруг Солнца, по вращению Луны вокруг Земли, по восходу и закату Солнца. Со временем пришло понимание, что необязательно привязываться к небесным телам и что для измерения времени можно использовать любое периодическое явление. Так появились, например, часы-ходики с колеблющимся маятником или же современные наручные кварцевые часы, где секунду задает кристалл кварца.

Атомные часы ―  это принципиально новое явление последнего столетия: как следует из их названия, они используют для формирования шкалы времени атомы.

― Каким образом?

― У атома есть электронная структура ― набор уровней, которые могут занимать электроны. Мы можем перевести электрон из одного состояния в другое, передав ему определенную энергию, например с помощью лазера ― когерентного источника фотонов.

Взаимодействие между лазером и атомами, находящимися в световой ловушке, сформированной лазерными пучками, ― основа оптических атомных часов, которыми, в частности, и занимается наша лаборатория. Для того чтобы создать такие часы, нужен долгоживущий переход внутри атома из нижнего состояния в верхнее.

Такой переход характеризуется очень малой спектральной шириной. Таким образом, переводя атом из основного состояния в возбужденное, мы можем периодически его «опрашивать», то есть узнавать, соответствует ли частота лазерного излучения частоте часового перехода в атоме. Привязав частоту лазера к частоте атомного перехода, мы можем получать очень точную и стабильную оптическую частоту и на ее основе формировать шкалу времени. Чем выше частота у того излучения, которое мы используем, тем более точные и стабильные часы мы можем создать.

―  В мире существуют атомные часы, меняющие свой ход всего лишь на одну секунду в 15 млрд лет, ― невероятно маленькая погрешность! Для всех атомных часов необходима такая фантастическая точность? И какая точность у оптических атомных часов в вашей лаборатории?

― Учитывая продолжительность человеческой жизни и время существования человечества в целом, иметь такую точность в обыденной жизни нам вовсе не обязательно. Оптические атомные часы ФИАН на атомах тулия отклоняются примерно на 1 с в 3 млрд лет, демонстрируя также необычайно высокую стабильность: свыше 17-го знака после запятой. Это на порядок лучше по сравнению с цезиевыми фонтанами предыдущего поколения. Современные атомные часы прекрасно решают задачи, стоящие перед ними, и широко применяются как в спутниковой навигации, так и для целей двойного назначения.

Именно благодаря работе атомных часов, находящихся на спутниках в космосе, мы можем ориентироваться по навигатору в своем телефоне. Наземные станции, принимая данные от спутников, посылают сигнал в ваш смартфон, который показывает вам, в какой точке пространства вы находитесь.

― А могут ли атомные часы быть полезны для трехмерной навигации, для самолетов или подводных кораблей?

― Я бы сказала, что для самолетов более полезными будут скорее гироскопы и акселерометры, а оптические атомные часы незаменимы для спутниковой навигации. Есть еще одно применение атомных часов, которое пока не реализовано, но очень интересует не только ученых, но и многих мировых лидеров, ― это формирование карты гравитационного потенциала Земли и возможность ориентироваться по линиям гравитационного поля.

― Что это такое?

― Наша планета, будучи неоднородной, представляет собой довольно кривой с точки зрения гравитации шар, по-научному ― геоид. А значит, существует возможность составить некую карту ее гравитационного потенциала. На нашей планете есть моря, океаны, пещеры, горы и т.д., поэтому в одних местах гравитация у нас сильнее, а в других ― слабее. Составить такую карту линий равного гравитационного потенциала ― одна из важнейших задач будущего, потому что ориентация по гравитационному потенциалу очень перспективна. Гравитационный потенциал крайне сложно возмутить, изменить искусственно, в отличие, например, от магнитного поля, которое можно трансформировать с помощью сильных магнитов или электрического тока.

Имея карту гравитационного потенциала, можно передвигаться по местности, не излучая никаких внешних сигналов, то есть фактически стать невидимкой для окружения.

Это, конечно, очень важно для подводных лодок, они бы с удовольствием этим пользовались, чтобы не выдавать свое присутствие. Составление карты гравитационного потенциала важно не только для военных целей, но и для геодезии. Ученые ищут полости в земле или те места, где плотность породы будет выше, чем в среднем на заданном участке. В этом тоже могут помочь атомные часы. Взяв их с собой и перемещаясь с ними по определенной местности, мы можем увидеть, что там, где гравитация сильнее, часы идут медленнее, а там, где она слабее, ― быстрее. Значит, по ускорению часов мы можем узнать, что приближаемся к массивному объекту, который может быть не виден невооруженным глазом.

― Но как атомные часы можно взять с собой, ведь они такие огромные, что занимают целые помещения?

― Да, это правда: атомные часы не настолько малы, чтобы надеть их на руку и спокойно отправиться в экспедицию. Но существуют вполне транспортабельные компактные системы, в частности такие, как наша система на атомах тулия. Подобный агрегат можно погрузить в автомобиль и путешествовать с ним. Сложность здесь скорее заключается не в размерах системы, а в том, что нам нужно с чем-то сличать эти часы.

Сами по себе часы никому не интересны, их нужно все время сравнивать, поэтому в таких поездках важна возможность сличения с эталонными лабораторными часами, находящимися в лаборатории, относительно которых будет регистрироваться замедление или ускорение мобильных часов. И если вдруг окажется, что наши транспортируемые часы начали изменять частоту по сравнению с эталонными часами, мы можем говорить, например, о какой-то гравитационной аномалии: скажем, о том, что в данном месте находится пещера, о существовании которой, возможно, еще никто не знает.

К сожалению, на текущий момент для проведения подобных исследований пока не хватает надежности, точности и стабильности транспортируемых атомных часов. 

― Где были впервые сделаны самые точные атомные часы в мире? И как обстоят дела с точностью в России?

― Для атомных часов одновременно важны две характеристики: точность и стабильность. Самые точные и стабильные на текущий момент атомные часы работают на атомах стронция. Их погрешность и относительная нестабильность составляет 2 × 10^-18. Такие характеристики показали часы, которые были сделаны в США в группе Джуна Йе. Наши отечественные часы Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) тоже работают на атомах стронция. Они встроены в государственный эталон времени и частоты, внося важнейший вклад в формирование координированного времени России. Кроме того, наша страна вносит весомый вклад в формирование международной шкалы времени ― на уровне 17%.

В этой области науки существуют и другие сильные группы из разных стран мира, например из Японии. Команда под руководством Хидетоши Катори была одной из первых в мире, создавшей атомные часы на стронции. Хидетоши Катори нашел способ убрать световые сдвиги, вызываемые оптической решеткой: он обнаружил так называемую магическую длину волны, при которой часовой переход не изменяется, совершив таким образом большой прорыв в этой области знания. Японская группа также очень продвинулась в области криогенных часов, что позволяет подавить сдвиги частоты часового перехода за счет теплового излучения окружающей среды. К тому же они сейчас лидируют в области создания транспортируемых часов на атомах стронция: их транспортируемые системы в прошлом году показали погрешность всего в два с половиной раза хуже лабораторных. Нельзя не упомянуть и о немецких коллегах: в Национальном институте метрологии Германии (PTB) тоже есть свои часы на стронции. Как видите, стронций оказался универсальным и общепринятым элементом для атомных часов.

― Чем это обусловлено?

― Сложно однозначно ответить, почему стронций начали использовать для атомных часов. Одной из причин стала хорошая согласованность экспериментальных данных. Хотя на самом деле это довольно капризный химический элемент: у него сложная система уровней для охлаждения; работая с ним, приходится использовать большое количество лазера, он чувствителен к излучению черного тела и т.д.

― И, наверное, поэтому ученые ФИАН решили пойти другим путем, создав оптические атомные часы с использованием атомов тулия, чего раньше никто не делал? Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее. Тулий впервые в мире был охлажден именно в ФИАН?

― Наша лаборатория занимается в том числе поиском новых химических элементов для создания оптических атомных часов. Вы правы, впервые тулий был охлажден в 2010 г. в ФИАН, прямо в этой лаборатории, где мы сейчас находимся. Почему никто ранее не пытался охладить тулий? Возможно, потому, что другие группы были заняты стронцием, он был очень популярным и многообещающим элементом на тот момент. У тулия сложная электронная структура, и он плохо считается. Кроме того, для охлаждения тулия требовались лазеры с длиной волны около 400 нм, а это уже так называемые голубые лазеры, которые на тот момент еще не создали.

В первых экспериментах использовались лазеры с генераторами второй гармоники. Но вскоре японские ученые Исаму Акасаки, Хироси Амано и Суджи Накамура изобрели голубые диоды и дело пошло в гору: появились лазеры, которые можно было использовать для охлаждения тулия, и это направление стало у нас активно развиваться. И теперь, когда я представляю наши результаты на международных научных конференциях, тулий привлекает большое внимание исследователей. Многие интересуются этим химическим элементом, но чтобы начать работу с новым элементом, всегда требуется большое вложение денег и не все могут позволить себе такие исследования.

― Способны ли атомные часы принести пользу в решении фундаментальных проблем современной физики?

― На текущий момент в мире достигнуты погрешность и нестабильность атомных часов на уровне 18-го знака после запятой. Это настолько фантастическая точность, что даже непонятно, куда двигаться дальше, а главное ― зачем? Один из мотиваторов ― возможность использовать атомные часы для решения фундаментальных задач, например для поиска темной материи во Вселенной.

Известно, что во Вселенной есть скрытая масса (темная материя), которую мы никак не можем обнаружить. Один из возможных способов приблизиться к ее разгадке ― попытаться зарегистрировать изменения частоты атомных часов.

Частота ― это самая точная измеряемая величина, и если на Землю, например, налетает сгусток темной материи и она каким-то образом действует на атомы, то это можно определить по изменению частоты часов. Такие поисковые работы уже ведутся. Есть много различных теорий о том, как взаимодействие с темной материей должно влиять на частоту, причем разные атомные часы могут реагировать на эту загадочную массу по-разному: в зависимости от того, на основе какого химического элемента эти часы сделаны. Это одно из наиболее интересных фундаментальных применений атомных часов. Второе фундаментальное направление ― поиск дрейфа фундаментальных констант.

― Сложно представить, что фундаментальные константы вроде заряда электрона могут меняться

― Да, но все же это возможно. По крайней мере, никто еще не доказал, что этого не может быть. Например, так называемая константа тонкой структуры альфа, описывающая силу взаимодействия между электронами и фотонами, могла в начале времен, во время Большого взрыва, иметь совсем другое значение, нежели сейчас. Мы этого не знаем. Что касается других фундаментальных величин, то на протяжении жизни человечества они могут оставаться неизменными, но что, если заглянуть гораздо дальше? Точного ответа, увы, мы тоже не имеем. Атомные часы могут помочь нам следующим образом. Мы можем взять, например, одни часы на тулии, другие на стронции и третьи на иттербии. Далее нам нужно постоянно сравнивать их между собой, пытаясь уловить изменения их частоты, коррелирующие  с изменением постоянной тонкой структуры альфа ― но для каждой пары часов по-разному. Имея три такие пары, удается убрать другие причины изменения частот и выделить то, что вызвано изменением именно альфы, и таким образом наложить ограничение на ее дрейф.

Результат, имеющийся на сегодня, ― альфа никак не меняется. Мы, конечно, только ограничиваем ее, то есть определяем, что с точностью, установленной экспериментально, она остается неизменной.

Поиск дрейфа констант ― это фундаментальная поисковая задача, очень интересная для ученых.

Чем точнее наши оптические атомные часы, тем лучше мы можем регистрировать изменения фундаментальных констант. Пока результаты последних мировых экспериментов показали, что на уровне 10^-15 в год постоянная тонкая структура альфа не изменяется.

― Ксения Юрьевна, напоследок давайте немного отвлечемся от физики. Вы молодая женщина-ученый, доктор наук, руководитель лаборатории и многодетная мама. Как успеваете совмещать все эти роли?

― Наверное, у каждого человека есть некий внутренний двигатель. Свой я отчетливо ощущаю уже с детства: я всегда торопилась жить, старалась ничего не пропустить. Мне до сих пор кажется, что если я остановлюсь даже на 15 минут, то пропущу что-нибудь важное. Знаете, как говорят, есть люди-кубики, а есть шарики. Кубик, даже если его подтолкнуть, перекатится на другой бок и будет лежать дальше. А шарик катится сам при малейшем прикосновении к нему. Думаю, такая постоянная внутренняя активность в какой-то степени присуща многим из нас от природы. Мне кажется, нет единого рецепта, как стать мотивированным и активным. Может быть, это не только врожденная склонность, но и дело привычки. Я не привыкла к безделью и не выношу его ― мне нравится работать. А наука ― это как раз та область, где к решению задач можно всегда подходить творчески и по-новому. Здесь есть свобода. Начиная с аспирантуры у меня не было начальника, который говорил бы мне, что делать. Мне всегда предлагали решить задачу, а я уже сама думала, как именно это сделать, кого привлечь, у кого спросить совета, какие книги по теме прочесть и т.д. Ученый ― это творческая профессия, и я бы хотела сказать всем девушкам, чтобы они не боялись связывать свою жизнь с наукой. Это очень интересная и престижная профессия, которая к тому же дает шанс повидать мир. 

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.