Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
Определена частота оптического перехода в атоме водорода с точностью на уровне единиц пятнадцатого знака
Сотрудники Физического института им. П. Н. Лебедева РАН и Института квантовой оптики им. Макса Планка (Германия) определили частоту оптического перехода в атоме водорода с точностью на уровне единиц пятнадцатого знака. Поскольку в современной физике наибольшую точность дают измерения отношений частот, интересующие экспериментаторов величины часто преобразуют именно в частоту. Так действуют, к примеру, при измерении скорости движущегося автомобиля с помощью эффекта Доплера или вычислении разности потенциалов с использованием эффекта Джозефсона (явления протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника).
Возможность измерять и сравнивать частоты оптических переходов в атомах и ионах, представляющих собой осцилляторы с исключительно высокой добротностью, появилась довольно давно, но настоящим прорывом в этой области стало создание так называемых оптических гребёнок. Гребёнка возникает при прохождении фемтосекундных импульсов от лазера, излучение которого используется как набор стандартных и точно определённых частот, через оптическое волокно со специальной микроструктурой. Авторы этой методики в 2005 году получили Нобелевскую премию, причём одним из лауреатов стал представитель российско-германской научной группы Теодор Хенш (Theodor Hänsch).
«Наша задача заключалась в том, чтобы измерить частоту в атоме водорода — переход между двумя энергетическими уровнями, основным и метастабильным состояниями, — рассказывает другой участник работ Николай Колачевский. — В возбуждённом состоянии атом стабилен в масштабе долей секунды, поэтому получается очень узкий переход, и его легко регистрировать. С другой стороны, атом водорода — это очень неудобный объект: его невозможно (даже сегодня) охладить лазерными методами и захватить в ловушки, что определяется уникальной структурой уровней. Десять лет назад, когда работа с Теодором Хеншем только начиналась, речь шла об измерениях на уровне тринадцатого или четырнадцатого знаков». Чтобы повысить точность, физикам пришлось серьёзно дорабатывать методику: сужать линию излучения лазера, возбуждающего переход, улучшать характеристики детекторов, менять способы обработки данных.
«Конечно, наш новый результат уступает проведённым в США измерениям в ионе алюминия, точность которых достигла единиц восемнадцатого знака, — продолжает г-н Колачевский. — Но возможность выполнять строгие квантово-механические расчёты в атоме водорода делает его уникальным объектом для тестирования фундаментальных теорий и определения постоянных — например, постоянной Ридберга».
Определение частоты оптического перехода в атоме водорода также позволяет оценить стабильность постоянной тонкой структуры α ≈ 1/137 — безразмерной величины, характеризующей электромагнитные взаимодействия. Во многих теориях, расширяющих Стандартную модель, заложена необходимость изменения α, и физики давно пытаются обнаружить вариации постоянной тонкой структуры во времени и пространстве. Об астрофизических исследованиях такого рода, которые опираются на спектры источников, удалённых на миллиарды световых лет, приводя оценки амплитуды возможных изменений α.
Другой перспективный способ регистрации дрейфа постоянной, называемый геологическим, основан на изучении изотопного состава руд месторождения Окло, где около двух миллиардов лет назад протекала самопроизвольная цепная реакция деления ядер урана. При этом возникали интенсивные потоки нейтронов, что было обнаружено по изменению состава изотопов. Сечения реакций (вероятности захвата нейтрона ядром), проходивших в то время, во многом определяются величиной α, что позволяет ограничить амплитуду её вариации.
