ДВОЕ ЧАСОВ, ДВЕ СТРАНЫ, ОДИН РИТМ

Оптические атомные часы сегодня достигают относительной неопределённости 10⁻¹⁸ и ниже — это как потерять одну секунду за тридцать миллиардов лет. Они более чем в сто раз превосходят цезиевые микроволновые часы, которыми сейчас определяется секунда, и ожидается переопределение секунды на основе оптических часов. Но прежде чем выбрать новый эталон, часы нужно проверить друг по другу.

Зачем двое одинаковых часов

Сравнение часов, использующих один и тот же атомный переход — скачок между двумя энергетическими уровнями атома, частоту света которого отсчитывают часы, — даёт чёткий тест: отношение их частот должно быть ровно единицей. Такое согласие лучше 10⁻¹⁷ было показано почти исключительно между системами, построенными внутри одного института. Предыдущая европейская кампания между этими же двумя часами из-за нехватки данных не достигла цели 5 × 10⁻¹⁸, поставленной в преддверии переопределения. А сравнения других независимо построенных часов выявили расхождения, намного превышающие заявленные неопределённости, — признак эффектов, которых никто не учёл.

Один ион, две лаборатории

Оба прибора удерживают один ион иттербия-171 и опрашивают чрезвычайно узкий переход — «электрический октупольный», возбуждённое состояние которого живёт годами. Одни часы, NPL-E3Yb+3, находятся в Национальной физической лаборатории (National Physical Laboratory) в Теддингтоне, Великобритания. Другие, PTB-Yb1E3, — в Физико-техническом федеральном ведомстве (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) в Брауншвейге, Германия. Они различаются конструкцией ловушки, стабилизированными лазерами и способом компенсации сдвига, вызванного самим опрашивающим светом.

Их связали через европейскую сеть оптических волокон, стабилизированных так, что они почти не вносят собственного дрейфа: 2220 км через три ретрансляционные станции во Франции — Лабораторию физики лазеров в Вильтанёзе, лабораторию «Время — Пространство» (Laboratoire Temps Espace) Парижской обсерватории и Страсбургский университет. С 18 марта по 12 апреля 2025 года команда собрала 12,6 суток пригодных данных; оба прибора и линия связи работали одновременно 51% времени.

Результат

Отношение двух частот оказалось равным 1,000 000 000 000 000 001 0 с неопределённостью 48 в последних знаках: разница 1,0 × 10⁻¹⁸ ± 4,8 × 10⁻¹⁸, совместимая с нулём. Насколько известно авторам, это первое международное сравнение часов точнее 5 × 10⁻¹⁸.

Бюджет погрешностей в единицах 10⁻¹⁸ (независимые погрешности частично компенсируют друг друга: они складываются как квадратный корень из суммы их квадратов, поэтому в сумме дают 4,8, а не 8,8):

• сами часы: 2,8, причём крупнейший эффект — тепловое излучение окружения при комнатной температуре;
• международная оптоволоконная линия: 0,9;
• статистика: 1,6;
• релятивистское красное смещение между двумя площадками — чем выше часы в гравитационном поле Земли, тем быстрее они идут, примерно на 1 × 10⁻¹⁸ на сантиметр, — включая меняющееся притяжение приливов: 3,5 — самое большое отдельное слагаемое.

Эта последняя поправка зависит от положения каждых часов в гравитационном потенциале Земли. Её неопределённость эквивалентна чуть более чем 3 сантиметрам разницы высот между двумя приборами.

Попутная проверка теории относительности

Две площадки находятся далеко друг от друга, и вращение Земли постоянно поворачивает соединяющую их линию. Если бы скорость света зависела от направления — нарушение того, что физики называют лоренц-инвариантностью, — отношение частот колебалось бы с каждыми звёздными сутками — одним оборотом Земли относительно звёзд, 23 ч 56 мин. Такого сигнала не обнаружено. Параметр, измеряющий эту зависимость от направления, ограничен примерно в пять раз строже, чем прежде. Кстати, без приливной поправки проявлялось ложное колебание, достаточно сильное, чтобы сойти за намёк на сигнал (2,6 стандартного отклонения).

Данные также показали, что волокно добавляет шум: разброс днём был на 24% шире, чем ночью, что согласуется с внешними возмущениями вдоль линии.

Теперь важны сантиметры

Поскольку в погрешности доминировала гравитация, авторы пишут, что для ещё более точных сравнений понадобится лучшее знание гравитационного потенциала на каждой площадке — или часы, которые можно перевезти на другую площадку без потери характеристик.