Без ГЛОНАСС и GPS

Квантовый гравиметр создается сотрудниками Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ под руководством заведующего кафедрой физико-технических проблем метрологии, доктора физико-математических наук Петра Борисюка. Макет устройства был представлен на недавнем международном военно-техническом форуме «Армия- 2024».

По сути гравиметр представляет собой сверхточные атомные часы, работающие на ионах стронция. Сначала с помощью лазерного излучения атомы стронция замораживаются до сверхнизких температур. (Поясним, что, когда говорят о температуре атома, имеют в виду его кинетическую энергию, то есть чем ниже температура атома, тем медленнее он движется.) А затем — также с помощью лазера — атомы возбуждаются, начиная ритмически испускать импульсы света. Известно, что измерение времени всегда основывается на подсчете числа колебаний какого-то периодического процесса. Например, в ходиках — числа колебаний маятника. В атомных часах в таком качестве используется частота импульсов света, излучаемого в данном случае атомами стронция.

Как рассказал инженер кафедры физико-технических проблем метрологии Павел Черепанов, в настоящее время разработанные в МИФИ атомные часы позволяют измерять время с точностью до 10⁻¹⁶ секунды. Таким образом, устройство может также играть роль сверхпрецизионного оптического квантового стандарта времени и частоты, которое можно использовать для синхронизации разделенной расстоянием аппаратуры, особенно в ситуациях, когда радиосвязь затруднена (например, на подводных лодках).

А измерять уровень земной гравитации это устройство способно, поскольку, согласно общей теории относительности, чем сильнее гравитация, тем медленнее идут часы, то есть уменьшается частота колебаний атомов и излучаемый атомами свет смещается в красную сторону спектра.

По словам Павла Черепанова, квантовый гравиметр способен отслеживать изменения гравитационного поля Земли с точностью более одной миллионной гала (гал — единица измерения свободного падения ускорения в системе СГС, равна 1 см/с²), в то время как у используемых сегодня маятниковых и баллистических гравиметров точность составляет от одной десятитысячной до одной стотысячной гала. «Таким образом, квантовый гравиметр в десятки раз точнее неквантовых аналогов при сопоставимых размерах. При этом квантовые приборы имеют существенный потенциал миниатюризации», — отмечает Павел Черепанов.

В перспективе квантовый гравиметр может использоваться в геологоразведке, прецизионной топографии и навигационном оборудовании. На важность разработки квантового гравиметра именно с этой точки зрения в интервью нашему журналу еще несколько лет назад указал выдающийся российский физик Владислав Пустовойт, ушедший от нас в 2021 году. Пустовойт совместно с Михаилом Герценштейном в 1961 году предложил эффективный способ регистрации гравитационного поля. В том интервью Владислав Иванович подчеркнул важность создания карты гравитационного потенциала Земли с помощью гравиметра: «Представьте себе, что будет, если не будет ни ГЛОНАСС, ни GPS? А ведь их очень легко разрушить. Как будут ориентироваться наши самолеты, наши ракеты? В этом случае помимо магнитного поля Земли остается только одна, незыблемая возможность ориентации — по гравитационному потенциалу Земли, с которым ничего, никогда не случится… Если вы построите карту гравитационного потенциала, то вы по ней сможете ориентироваться».

Как отметил Павел Черепанов, разработка квантового гравиметра, проводимая в МИФИ, направлена в том числе и на решение этой задачи. А созданный в институте гравиметр можно назвать прототипом, который будет дорабатываться до промышленного образца.