Как часами взвесить килограмм?

Как часами взвесить килограмм?

 Текст: Александр Березин

В 1924 году Луи де Бройль, воспользовавшись высказанной Эйнштейном концепцией эквивалентности массы и энергии, скомбинировал её с идеей Макса Планка об ассоциируемости каждой энергии с определённой частотой. В итоге мысль де Бройля о том, что материя может вести себя как волна, удостоилась Нобелевской премии по физике за 1929 год.

И вот теперь Хольгер Мюллер и его коллеги по Калифорнийскому университету в Беркли (США) использовали эту классическую концепцию весьма необычным образом. Они создали атомный интерферометр, который рассматривает атомы как волны и измеряет их интерференцию.

Сделать на этой основе часы, кажется, невозможно: ведь частота такой волны, которая соответствует атому, в 10 млрд раз выше, чем частота волны видимого света. Как же её регистрировать?

Экспериментальная установка стала первыми часами, при помощи которых можно... взвешивать. (Фото UC.)

И всё же американцам удалось это сделать при помощи эффекта замедления времени для движущейся частицы. В их часах волна, соответствующая атому цезия, движется, и за счёт этого её длина растёт. Это замедление частоты колебаний волны и измеряет устройство г-на Мюллера и Ко. Речь идёт о падении частоты примерно на 100 000 колебаний в секунду, притом что в норме количество колебаний волны атомы цезия за секунду равно 3 × 10²⁵.

Чтобы определить эту незначительную разницу, интерферометр Мюллера измерял интерференцию волн неподвижного и перемещающегося (в силу обстрела лазерным лучом) атома цезия.

Сами созданные часы уступают по точности современным атомным и могут сравниться лишь с первыми атомными «хронометрами» полувековой давности. Тем не менее их точность можно существенно повысить, и это ещё не всё.

Хольгер Мюллер предлагает использовать свои часы для корректировки эталона килограмма: «Точность наших часов превышает семь частей на миллиард. Эта погрешность соответствует ошибке на одну секунду за восемь лет, что сравнимо с точностью первых атомных часов на базе цезия, созданных 60 лет назад... Наши часы в комбинации с лучшими сферами Авогадро помогут дать новое определение килограмма. Частота «тиков» в них эквивалентна массе одного атома [цезия]; зная её, мы вычислим массу всего образца».

Несовершенство нынешнего эквивалента килограмма давно беспокоит Международное бюро мер и весов, неоднократно призывавшее к созданию более фундаментального эквивалента. Похоже, нужная технология наконец-то найдена: точность корректировки эталона килограмма часами Мюллера заявлена на уровне 30 частей к миллиарду, что выше, чем у любого другого существующего метода.

В дальнейшем физики намерены использовать для такого измерения времени и массы интерферометры, которые регистрируют интерференцию волн, соответствующих электронам и даже позитронам (часы на основе антиматерии), что должно заметно повысить их точность.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science.

Подготовлено по материалам Калифорнийского университета в Беркли.