«Часы со световой решеткой» из Японии открывают путь в будущее: от «переопределения секунды» до множества технических применений, в том числе в роли измерительного прибора

Эти «сверхчасы» разработал Катори Хидэтоси, профессор Технического отделения магистратуры Токийского университета и по совместительству директор исследовательской группы Института физико-химических исследований RIKEN. Ожидается, что созданным Катори часам со световой решеткой найдется применение в самых разных областях жизни общества. Эта ведущая на мировом уровне «технология из Японии» может открыть для нас новое будущее.

Атомы стронция заперты в сверхмалой «световой решетке»

Давайте проследим за появлением и развитием часов, призванных изменить само понятие единицы времени, которым пользуется человечество. Считается, что древние люди по движению Солнца и Луны распознавали смену времен года. С прогрессом цивилизации итальянец Галилео Галилей в XVI столетии открыл периодичность колебаний маятника. С этим открытием связано изобретение голландцем Христианом Гюйгенсом маятниковых часов. За ним последовало создание и широкое распространение механических часов с пружинным механизмом, а затем и кварцевых часов, в которых используется колебание кристаллов. Погрешность измерения времени лучшими кварцевыми часами составляет одну секунду в сотню лет.

Во второй половине XX века появились атомные часы, в которых в качестве стандарта используется частота атомных колебаний. Если до тех пор секунду рассчитывали через период обращения Земли вокруг Солнца, то в 1967 году международным стандартом отсчета секунд стали атомные часы, в которых используется изотоп цезия с массовым числом 133. При переходе в другое энергетическое состояние атомы поглощают или испускают световые и радиоволны определенной частоты. Подобно частоте колебаний маятника, частота этих волн может служить стандартом для отсчета времени. На этом и основан принцип работы атомных часов. Если объяснять сложнее и точнее, то этот отсчет времени сводится к определению секунды как времени 9192631770 колебаний микроволн атомов цезия в так называемом возбужденном состоянии. У наиболее точных современных цезиевых атомных часов погрешность составляет одну секунду в 60 млн лет – такую точность называют «примерно 15-значной относительной точностью».

Часы со световой решеткой на несколько порядков превосходят эти атомные часы по точности. Их точность – нечто выходящее за пределы человеческого воображения. Частота света на несколько порядков превышает частоту микроволн, используемых в цезиевых атомных часах. А поскольку чем выше частота, тем меньше отсчитываемые промежутки времени, эта разница позволяет радикально повысить точность часов.

Еще одна особенность состоит в использовании в новых часах атомов стронция. Измеряется световая частота, поглощаемая и испускаемая атомами стронция. Если говорить конкретнее, путем интерференции лазерных лучей с определенной длиной волны, называемой «магической длиной волны», создается сверхмалое пространство — «световая решетка», по форме напоминающая контейнер для яиц. В этих ячейках размещаются по одному около миллиона охлажденных атомов стронция. Устройство позволяет определить длину секунды через измерение средней частоты поглощения лазерного луча, направляемого на этот миллион атомов.

Модель, воспроизводящая удерживание отдельных атомов в часах со световой решеткой, август 2022 года, Институт исследований связи, город Коганэи, Токио (© Jiji Press)

Объявление в 2001 году, привлекшее внимание всего мира

Когда в 2001 году Катори впервые предложил концепцию часов со световой решеткой, она привлекла внимание всего мира. Особый интерес в этих часах вызвало то, что создателям удалось, с одной стороны, использовать одновременно большое количество атомов, а с другой – свести к минимуму погрешность, которая возникает из-за взаимодействия атомов между собой. До тех пор исследователи, которые занимались повышением точности часов, сталкивались с серьезной проблемой – они могли использовать лишь небольшое количество атомов, поскольку столкновения атомов между собой порождали погрешность измерений.

Исследователи во главе с Катори не прекратили экспериментов и изысканий и после того, как заявили о часах со световой решеткой. Неоднократными успехами в повышении точности частотных измерений они заслужили высокую оценку на международном уровне за работу по «переопределению» секунды. В 2006 году их устройство уже считали часами нового поколения. Но оборудование, изначально созданное в качестве часов со световой решеткой, представляло собой весьма громоздкий аппарат, занимавший целое лабораторное помещение. Поэтому создатели занялись разработкой «переносной версии» своих часов. Чтобы такие часы стали использовать в качестве международного стандарта, требовалось непосредственно сравнить их с часами других стран и лабораторий, для чего устройство следовало сделать более компактным.

Исследователям пришлось найти не одно искусное решение, прежде чем в ноябре 2024 года они объявили о том, что им удалось существенно уменьшить объем устройства – с прежних 920 примерно до 250 литров. Пересмотр конструкции изначального устройства позволил снизить не только его вес, но и потребление электроэнергии. Это стало серьезным шагом к практическому использованию. Вместе с исследователями в работе участвовали корпорация «Симадзу» и компания-производитель электронных приборов JEOL.

Недавно Катори и его коллеги объявили о результатах эксперимента, который произвел мировой фурор. В апреле 2020 года исследователи объявили о том, что можно назвать предварительным этапом миниатюризации часов со световой решеткой – об обеспечении возможности транспортировки устройства, а затем сообщили о том, что они практически подтвердили функциональность своего устройства, измерив разницу высот на основе общей теории относительности. Согласно сделанному тогда заявлению, исследователи продвинулись в миниатюризации и оптимизации оптического оборудования, занимавшего прежде целую лабораторию, и это дало им свободу перемещения устройства. Часы использовали для измерения разницы во времени в двух местах – на наземном уровне и на видовой площадке башни Tokyo Sky Tree. Так они подтвердили, что на видовой площадке время шло быстрее, чем на уровне земли, на 4,26 наносекунды в сутки («нано» означает одну миллиардную долю исходной единицы). Переносная версия часов со световой решеткой продемонстрировала возможности, не уступающие прежней, лабораторной версии.

Разработчик часов со световой решеткой – профессор магистратуры Токийского университета Катори Хидэтоси на пресс-конференции по случаю соглашения с Международным бюро мер и весов о переопределении понятия «секунда», 12 мая 2026 года, город Кавасаки (© Jiji Press)

К «запредельно точным» часам с погрешностью в одну секунду за 30 млрд лет

Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, там, где высота ниже, гравитация сильнее, и время течет медленнее, чем в более высокой точке. Поскольку часы со световой решеткой позволяют измерять крайне незначительную разницу течения времени, это позволяет измерять разницу высот. Эксперимент, проделанный группой Катори, в мире оценили как «эксперимент по подтверждению общей теории относительности на объекте всего лишь 450-метровой высоты – башне Tokyo Sky Tree – с точностью, сопоставимой с прежними опытами на космических спутниках».

В феврале 2015 года группа Катори объявила, что при одновременной работе двух часов со световой решеткой расхождение между ними составило «одну секунду за 16 млрд лет». При такой точности погрешность измерений составила бы порядка одной-единственной секунды даже в том случае, если бы измерение времени продолжалось с самого возникновения космоса – на протяжении 13,8 млрд лет. Это превосходит возможности воображения. Между тем точность новейшей версии оборудования достигает «18 знаков», выражаясь формулировкой «одна секунда в 30 млрд лет». Это невероятные, «запредельно точные» часы.

Корпорация «Симадзу», которая вместе с Токийским университетом и НИИ RIKEN поспособствовала миниатюризации часов со световой решеткой, о которой было объявлено в 2024 году, в марте 2025 года объявила о начале продаж сверхточных часов со световой решеткой для коммерческого использования. Это первое в мире коммерческое предложение часов такого рода. Размер устройства составляет 114 см в ширину, 109,3 см в высоту и 65 см в глубину. Что касается других характеристик, заявленная погрешность составляет «одну секунду в 10 млрд лет», а рекомендуемая стоимость реализации (с налогом) – 500 млн йен. В течение трех лет производитель поставил целью продать 10 таких устройств.

Благодаря успехам, свидетельствующим о реальности практического применения, 12 мая текущего года корпорация «Симадзу» и НИИ RIKEN подписали меморандум об исследованиях и практическом использовании часов со световой решеткой с Международным бюро мер и весов с расчетом на переопределение секунды в 2030 году. В качестве другой кандидатуры для нового стандарта определения секунды уже предлагаются так называемые «одноионные часы», разработанные на Западе, но часы со световой решеткой превосходят их по стабильности работы. Поэтому они рассматриваются как весомый вариант для переопределения секунды.

Состоявшееся подписание меморандума заслуживает внимания как шаг на пути к практическому применению часов со световой решеткой. По словам осведомленных лиц, на пресс-конференции в связи с подписанием меморандума Катори отметил: «Буду рад, если предложение инструмента для сравнения хоть немного ускорит процесс переопределения (секунды)».

Перспективное применение – в исследованиях вулканических извержений и землетрясений

Давайте еще раз обратим внимание на послужной список Катори. В 1988 году он окончил Физико-техническое отделение Технического факультета Токийского университета, а в 1994-м защитил докторскую диссертацию (технические науки) в магистратуре Токийского университета. Поработав приглашенным исследователем в немецком НИИ квантовой оптики имени Макса Планка, доцентом Технического факультета Токийского университета, главным исследователем Проекта поддержки стратегических креативных исследований (CREST) Японского агентства по науке и технологиям (JST), в 2010 году Катори стал профессором отделения научно-технических исследований магистратуры Токийского университета. В 2013 году удостоен Премии памяти Нисины, в 2015-м - Премии Японской академии наук, в 2022-м – Премии Хонда (присуждается Фондом Хонда). Считается одним из вероятных кандидатов на Нобелевскую премию, и есть основания надеяться, что он будет удостоен этой награды.

Семнадцатого ноября 2022 года на проходившей в Токио церемонии награждения Премией Хонда Катори выступил с речью лауреата на тему «Связать с будущим науку, движимую любопытством». В начале Катори заявил: «С годами я стал думать о том, что хочется оставить как результат своей работы практическую пользу для людей и общества от использования этой технологии (световой решетки)».

Смысл блестяще предложенной Катори технологии действительно состоит не просто в том, чтобы дать новое определение секунде взамен используемого сейчас. Если говорить о «точности часов», то вполне можно утверждать, что в практической жизнедеятельности людей нынешних атомных часов вполне достаточно. Часы со световой решеткой замечательны «эффектом волны», который они могут произвести в появлении новых технологий.

Как показал практический эксперимент на башне Tokyo Sky Tree, «запредельно точные» часы позволяют измерять даже небольшую разницу высот. «Чтобы определить высоту, достаточно просто установить часы». Данный прием именуют «релятивистской геодезией». К примеру, сверхвысокая точность часов со световой решеткой позволяет точно измерять разницу высот всего в несколько сантиметров.

Известно, что в вулкане перед извержением происходит подъем магмы, и на горе наблюдаются определенные изменения, в частности, незначительное «разбухание». Вполне вероятно, что у нас появляется возможность не только отслеживать незначительные изменения вулканов, но и выявлять незначительные деформации земной коры, связанные с сейсмической активностью, которые было сложно выявлять прежними средствами измерения. То есть, размещение какого-то количества часов со световой решеткой в качестве «измерительных геодезических приборов сверхвысокой точности» и объединение их в единую сеть, вероятно, создаст возможности для непрерывных наблюдений за вулканической активностью, совершенствования наблюдений за подвижками земной коры и так далее.

Технология привлекает внимание как глубоко связанная с нашей жизнью и базисом нашего общества: это не только технология предотвращения ущерба от таких стихийных явлений как землетрясения и извержения вулканов, это еще и космические наблюдения и зондирование, совершенствование систем спутниковой геолокации (GPS), технологии связи нового поколения, автоматизация вождения и многое другое. Сверхточные часы – не просто новый прибор для отсчета времени – они становятся измерительным инструментом для наблюдений за Землей и космосом.

Общий вид эксперимента с использованием часов со световой решеткой на башне Tokyo Sky Tree (предоставил профессор Токийского университета Катори Хидэтоси)

«Исследование продвинулось до того, чтобы приносить отдачу обществу»

В выступлении в связи с награждением Премией Хонда Катори рассказал: «В учебнике физики для полных средних школ, над которым меня попросили поработать, я написал: “Вероятно, можно обрести новые, не открытые доселе физические знания”». А в организованной Фондом Хонда беседе с почетным профессором Токийского университета Мураками Юитиро Катори искренне признался:

«Занимаясь поиском темы для первого исследования, я думал: “Хочется заниматься исследованием там, где нет конкуренции. Вместе с тем хотелось бы, чтобы исследование было интересным, которым нам самим будет приятно заниматься”. Это и послужило отправной точкой. Но нельзя просто заниматься исследованиями, которые не приносят пользы. Я считал, что заниматься фундаментальными исследованиями в данный момент значит проращивать рассаду, которая очень пригодится двадцать лет спустя. Самым же главным я считаю то, что за эти двадцать лет исследование продвинулось до принесения отдачи обществу». В этих словах отразились откровенные мысли Катори.

Отсчет времени и в наши дни выступает одной из основ научно-технической деятельности, а повышение точности часов непосредственно связано с прогрессом основ, на которых стоит наше общество. Вероятно, и обществу будущего не обойтись без технологии точного отсчета времени. Связанные с этим надежды и заключены в технологии запредельно точных часов со световой решеткой, пионером которой является Катори.

Фотография к заголовку: Первые в мире товарные часы со световой решеткой Aether clock OC 020 корпорации «Симадзу», 5 марта 2025 года, префектура Киото, город Сэйкатё (© Jiji Press)