Секунды уже не будут прежними

15 ноября 2022 года, в Версале (Франция) открылась XXVII Генеральная конференция по мерам и весам, которая должна будет принять дорожную карту по переопределению единицы времени секунды. Скорее всего, переопределение секунды в системе СИ будет дано в 2030 году — об этом сообщили российские ученые на недавно прошедшей в НИЯУ МИФИ Международной школе «Перспективные стандарты времени и частоты на атомных и ядерных переходах-IV».

Современное определение «секунда — это длительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между сверхтонкими подуровнями основного состояния атома цезия 133», принятое на XIII Генеральной конференции по мерам и весам 1967 года, основано на длительности периодов излучения, которые соответствуют переходу между сверхтонкими структурами основного состояния атома цезия. Но с тех пор в точности измерений частоты атомных переходов произошел прогресс, поэтому возникла необходимость переопределения секунды в системе СИ — новое определение будет основано уже на длительности перехода в оптическом диапазоне.

Напомним, что на XXVI Генеральной конференции в 2018 году определение 1967 года было слегка модифицировано. «Вместо длительности периодов излучений фиксировалась частота излучения, а секунда определялась как величина, обратная данной цифре. Но в принципе это приблизительно одно и то же, — рассказал главный научный сотрудник отдела перспективных исследований и измерений времени и частоты ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) Виталий Пальчиков. — Уже появились оптические стандарты частоты, и точность измерений этих стандартов как минимум на два порядка выше, чем точность измерений атомной частоты в цезии. Поэтому и возникла необходимость переопределения единицы времени секунды, поскольку прогресс в увеличении точности для атомов цезия фактически исчерпал себя. Это объясняется не несовершенством измерительных возможностей для определения частоты перехода, а объективными физическими условиями. В частности, связанными с радиочастотным диапазоном для определения секунды и, соответственно, с параметрами этого перехода».

В настоящее время точность измерений для цезия составляет 1,2 * 10⁻¹⁶ — это относительное выражение для точности, и прогресса на сегодняшний день не намечается. Этот результат был получен несколько лет назад. В то же время соответствующая характеристика наиболее точных образцов оптических стандартов частоты в оптическом диапазоне составляет приблизительно несколько единиц 18-го знака (*10⁻¹⁸), что уже на два порядка выше. Поэтому если исходить из того, что частота определяется через длительность периодов излучения, то соответствующее увеличение точности измерений в оптическом диапазоне приводит к увеличению точности определения секунды.

На сегодня существует девять «кандидатов» для переопределения единицы времени секунды в системе СИ: иттербий, алюминий, ртуть и ряд других элементов. Чтобы выбрать один из них, была разработана дорожная карта, требования которой должны быть выполнены ведущими мировыми лабораториями времени.

Наиболее важное требование — точность измерений оптического стандарта частоты, претендующего на переопределение единицы времени секунды должна быть не хуже 5 единиц 18-го знака. Далеко не во всех метрологических лабораториях, даже самых «продвинутых», имеются такие стандарты частоты. Во ВНИИФТРИ ведутся работы в этом направлении.

Еще одно важное условие для нового определения секунды: территориально разнесенные (то есть находящиеся не в одной лаборатории, а на определенном расстоянии друг друга, вплоть до разных континентов) оптические стандарты частоты должны пройти сличения. Здесь очень важно разработать средства сличений удаленных стандартов частоты в оптическом диапазоне.

Кроме того, оптические стандарты частоты должны вносить вклад в формирование международной атомной шкалы времени на регулярной основе. Сейчас же, согласно оценкам Международного консультативного комитета по времени и частоте Международного бюро мер и весов, ситуация проработана только на 30%.

Еще одно серьезное требование связано с тем, что для оптических стандартов частоты существенны эффекты общей теории относительности. Это означает, что для того, чтобы проводить сличения территориально удаленных стандартов, необходимо учитывать гравитационный потенциал. Если сравнивать показания стандартов частоты в разных городах или странах, необходимо озаботиться тем, насколько отличается в этих местах гравитационный потенциал. Следовательно, нужно создавать гравиметры, позволяющие измерять гравитационный потенциал, — это также одно из важнейших направлений отечественных разработок, осуществляемых во ВНИИФТРИ.

«На сегодня есть три варианта дорожной карты по введению нового определения секунды. Самый оптимистичный вариант предполагает выполнение всех требований к 2026 году, второй — к 2030 году и третий — к 2034 году, — заключает Виталий Пальчиков. — На предварительном рассмотрении этого вопроса на заседании консультативного комитета по времени и частоте было высказано мнение, что, вероятно, на XXVII конференции Генеральной ассамблеи будет принят второй вариант развития событий, то есть переопределения секунды следует, скорее всего, ждать в 2030 году».

По материалам пресс-службы НИЯУ МИФИ