Японские учёные разработали атомные часы, точность которых в 1000 раз выше, чем у современных цезиевых часов, используемых на практике для измерения времени. Погрешность хода у созданной модели составляет 1 секунду за 16 млрд лет. С помощью таких точных часов можно измерять замедление хода времени, обусловленное гравитационным полем Земли, причём непосредственно на поверхности планеты.
Современный стандарт времени основан на частоте электромагнитной волны, излучаемой атомом цезия-133 при переходе электрона между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния. Используемые на практике атомные часы тоже основаны на излучении цезия. Максимальная достигнутая точность хода цезиевых часов на сегодняшний день составляет 1 секунду на 100 млн лет.
Чтобы превзойти этот показатель, группа учёных во главе с Хидэтоси Катори (香取秀俊, Hidetoshi Katori) из лаборатории квантовой метрологии Института физико-химических исследований, Япония, использовала атомы стронция. Для уменьшения погрешности атомы размещаются в оптической решётке, охлаждаемые и удерживаемые лазерными лучами. Установка позволяет наблюдать миллион атомов одновременно. Потенциалы решётки препятствуют взаимодействию атомов друг с другом и уменьшают допплеровский сдвиг частоты излучения, а усреднение по большому числу атомов позволяет значительно уменьшить погрешность квантовой проекции, которая ограничивает точность обычных атомных часов.
В результате на первые роли вышла другая погрешность — частоты излучения лазера. Её удалось уменьшить, взаимодействуя с двумя атомными часами одним лазером. Итогом работы стали часы, погрешность хода которых составляет 10−18.
Сверхвысокая точность часов может быть востребована для точнейшего измерения гравитационного поля земли. Согласно общей теории относительности, течение времени замедляется в гравитационном поле: часы идут тем медленнее, чем больше гравитационный потенциал в точке, где они расположены. Авторы работы заявляют, что достигнутой точности достаточно для измерения разности потенциалов гравитационного поля, возникающей при перемещении на 1 см по вертикали на поверхности Земли. Измерение силы тяжести с такой точностью поможет в понимании процессов в земной коре, приводящих к землетрясениям, и — в перспективе — в предсказании этих стихийных бедствий.
Катори отметил, что созданные в его лаборатории стронциевые часы могут быть использованы в качестве нового международного стандарта единицы времени.
