Работа оптических атомных часов впервые в истории была проверена в условиях открытого космоса - «Наука и технологии»

Исследователи из Германского космического агентства провели первые в истории испытания технологии оптических атомных часов в условиях открытого космоса. И результаты этих испытания говорят о том, что данная технология сверхвысокоточного измерения времени может быть успешно использована для обеспечения правильного функционирования не только наземных, но и различных космических систем. В ходе этих испытаний ключевой компонент оптических часов, чрезвычайно хрупкая оптическая частотная гребенка, не только выдержала "все тяжести" процедуры запуска и подъема на ракете-носителе, но и смогла проработать в космосе в течение 6 минут, прежде чем исследовательская установка не вошла в плотные слои атмосферы и прекратила свое существование.

Следует отметить, что любые, даже посредственные, оптические часы держат время точнее, нежели самые лучшие атомные часы. Однако механизм, на основе которого работают оптические часы, сам по себе достаточно громоздок и хрупок для того, чтобы его можно было отправить в космос. Оптические часы, как и атомные часы, работают, измеряя частоту колебаний атомов, переходящих из одного энергетического состояния в другое под воздействием электромагнитного излучения от внешнего источника. Оптические часы работают на более высокой частоте, на частоте волн диапазона видимого света, а не микроволнового, как атомные часы.

Однако, для работы оптических часов требуется высокостабильный источник света, излучающего свет со строго определенной длиной волны и интенсивностью. Даже самый высококачественный лазер не может обеспечить требующихся параметров луча света и для его получения используется оптическая частотная гребенка, которая может быть настроена для генерации только одной длины волны из миллионов комбинаций. Помимо этого, оптическая гребенка выполняет функцию обратного преобразования, понижая частоту принимаемого сигнала до значения, которое уже можно измерить при помощи высокочастотной электроники.

Группа ученых из немецкой компании Menlo Systems GmbH, возглавляемая Мэттиасом Лезиусом (Matthias Lezius), используя несколько достижений современной науки и технологий, сократила размеры оптической частотной гребенки и заключила эту гребенку в защитную кремниевую оболочку. В результате всего этого оптические часы стали более компактными, а их суммарный вес составил около 20 килограмм. Запуск часов в космос был произведен в апреле 2015 года, а результаты данных экспериментов и исследований были опубликованы в журнале Optica только 17 ноября этого года.

Целью запуска оптических часов в космос являлась не только проверка работоспособности оптической гребенки в условиях отсутствия или микрогравитации. Ученые так же произвели проверку некоторых положений Общей теории относительности Альберта Эйнштейна в части, в которой описывается влияние гравитации на процессы, происходящие на атомарном уровне.

Ученые сравнили время оптических часов, находившихся в космосе, со временем, отсчитываемым атомными часами, работающими на более низкой частоте, и не нашли никаких различий. Однако, в ходе эксперимента так и не были получены результаты с желаемым уровнем точности из-за чего ученые сейчас планируют провести второй подобный эксперимент.

Дальнейшее развитие технологий оптических часов может привести к появлению новых навигационных спутниковых систем, которые обеспечивают гораздо более высокую точность, нежели система GPS. Кроме этого, такие часы могут быть использованы для измерения гравитации и детектирования гравитационных волн. А оптическая частотная гребенка как отдельный инструмент может использоваться для определения параметров планет, вращающихся вокруг далеких звезд, и для изучения различных космических явлений, в результате которых в космическое пространство излучаются мощнейшие потоки света.