Уникальные часы помогут разгадать тайны Вселенной
Черный предмет цилиндрической формы совсем не похож на обычные часы. Но на сегодняшний день это самый совершенный прибор для измерения времени и работает он на холодных атомах. (Охлаждение атомов лазером позволяет замедлить их движение и создать сверхточные эталоны времени. За это открытие в 1997 году была присуждена Нобелевская премия по физике. - Ред.)
Пока китайские космонавты будут находиться на борту лаборатории, часы переведут в режим ожидания. "Они, возможно, спрятаны за какими-нибудь занавесками в космической лаборатории", - говорит профессор Лю, заведующий лабораторией квантовой оптики в Шанхайском институте оптики и точной механики, который входит в структуру Китайской академии наук.
Часы отправились в полет на борту "Тяньгун-2" в сентябре и стали первым прибором для измерения времени на холодных атомах в космосе.
За последние десять лет Лю посвящал большую часть своего времени разработке часов. Даже важнейший в Китае государственный праздник Чуньцзе (китайский Новый год) он провел в лаборатории. "Нельзя было терять ни минуты", - говорит он.
Казалось бы, в том, что касается времени, Лю должен быть экспертом, но он находит его почти не поддающимся пониманию: "Мы часто говорим о времени, постоянно спрашиваем "который теперь час?", но никто на самом деле не знает, что же такое время. Сделав часы на холодных атомах, вместо изучения сущности времени мы попытались измерить его".
"Где точка отсчета времени? Есть ли у пространства распознаваемый источник? Есть ли у времени и пространства структура?" - перечисляет Лю волнующие его вопросы. И надеется, что однажды наука раскроет тайны времени и пространства.
Часы разработаны по принципам атомной физики, но в отличие от большинства атомных часов в них использована передовая технология холодных атомов, которая делает их ультраточными. Механические часы отстают на секунду каждый день, кварцевые часы - каждые десять дней, водородные атомные часы отстают примерно на секунду каждые несколько миллионов лет. Часы на холодных атомах по точности превосходят все созданные до них, говорит Лю.
Ученые считают, что своей точностью часы обязаны микрогравитационной среде в космосе, а также низкой температуре атомов, на которых они работают. Когда лазерные пучки приводят их в движение в условиях микрогравитации, холодные атомы одновременно двигаются по прямой линии. Наблюдая за их движением, ученые получают более точный сигнал атомных часов, чем на Земле в условиях гравитации.
Технология лазерного охлаждения помогает устранить влияние теплового движения атомов (хаотичное движение частиц, вызванное теплом) на показания часов. "Хотя молекулы и атомы невозможно увидеть невооруженным глазом, на самом деле они двигаются с высокой скоростью, и эта скорость эквивалентна температуре, - говорит Лю. - Мы используем технологию лазерного охлаждения, чтобы остудить атомы до той температуры, которой невозможно добиться с помощью холодильника, и они остаются практически неподвижными. Наблюдая за почти статичными атомами, мы получаем более точные данные".
Ученые полагают, что в космосе такие часы помогут определить стандарт времени, который позволит точнее синхронизировать другие атомные часы. Более точная система часов в космосе принесет нам пользу и на Земле", объясняет Лю, потому что можно будет существенно улучшить точность навигации и позиционирования. Ученые говорят, что разработка технологии холодных атомов в космосе может способствовать прогрессу в других технологиях, а именно дальней космической навигации и позиционировании, зондировании темной материи и даже изучении гравитационных волн.
"На наших измерениях времени и пространства основано множество исследований. Если бы мы умели замечать незначительные изменения времени и пространства, это позволило бы сделать открытия за пределами диапазона существующих технологий", - говорит Лю.
Профессор и сам носит специальные часы, которые не отстают ни на секунду. "Они принимают длинноволновые сигналы, поэтому каждый вечер они автоматически сверяют время с Национальным центром измерения времени", - говорит он. Это проливает свет на его стремление к точности в жизни и работе.
"Все члены моей команды ратуют за высокие стандарты точности. Мы никогда не переносим собрания и всегда завершаем задачи в срок, даже если для этого нужно работать всю ночь".
Он вспоминает трудности, с которыми команда столкнулась, разрабатывая прототип часов: "Время было ограничено, а с прототипом было что-то не в порядке, и мы не могли понять причину".
Члены команды проводили дни и ночи в лаборатории, проверяя каждую деталь прототипа, и наконец в последний день графика проблема была решена. "Оказалось, что проблема заключалась в одном магните", -- говорит Лю. В течение тех 30 дней, которые космонавты проведут на борту "Тяньгун-2", часы на холодных атомах будут находиться в режиме ожидания.
"Это значит, что основной корпус часов перестал функционировать, и работают только отдельные части", - говорит Лю. Такая мера необходима для безопасности космонавтов и точности показаний часов, так как человеческая активность может повлиять на микрогравитационную среду.
Команда Лю сейчас собирает данные последней фазы разработки и готовиятся к следующему этапу, который наступит, когда космонавты вернутся на Землю и часы заработают на полную мощность.
"Пока что часы работают без сбоев, но с тем, чтобы лучше приспособить их к работе в космосе, все еще есть трудности", - говорит Лю. На самом деле, эксперименты с часами в космической лаборатории "Тяньгун-2" - только первый шаг к осуществлению грандиозного замысла ученого. Он планирует разместить больше часов на космической станции, которую Китай запустит к 2020 году. Это позволит проводить больше экспериментов.
Система будет состоять из трех сверхточных часов: на водороде, на холодных атомах и оптических. Приборы для измерения времени прошли эволюцию от древних солнечных часов до часов с маятником и кварцевых часов, а позже и атомных, говорит Лю, но в будущем мир завоюют оптические или даже ядерные часы. "Наша конечная цель - сделать часы, которые не будут ни спешить, ни отставать ни на секунду на протяжении всего существования Вселенной".