Професор Олексій Тайченачев, фізик-теоретик і директор Інституту лазерної фізики СО РАН, - про вимірювання часу з точністю до 20 знака після коми, перевірці фундаментальних теорій і свою тугу за наукової роботи
Професор Олексій Володимирович Тайченачев, фізик-теоретик, фахівець в області лазерної спектроскопії, квантової оптики і лазерного охолодження, своїм головним науковим інтересом вважає створення найточніших в світі годин - лазерних. Їх точність визначається 16 нулями після коми, але Тайченачев намір додати до них ще два, що дозволить супутникам глобального позиціонування вимірювати відстані з міліметровою похибкою. Сьогодні, ставши директором Інституту лазерної фізики СО РАН, він частково втратив можливість займатися власними дослідженнями, але зате знайшов сили, здатні наблизити цю мрію.
- Наша наукова група базується в Інституті лазерної фізики СО РАН і, як більшість груп в Новосибірському Академмістечку, працює також і в Новосибірському державному університеті. Те, чим ми займаємося, називається прецизійної лазерної спектроскопією. Для цих робіт у нас є і хороша експериментальна база, і потужна теоретична підтримка. Експериментальна база - це, природно, інститут, а теоретична підтримка частково йде з університету. В останні роки дуже яскраво виступає прикладний аспект цієї діяльності - оптичні стандарти частоти і часу. Ми можемо отримати осцилятор, який коливається зі строго заданою частотою в оптичному діапазоні, тобто лазер, що працює в такому частотному режимі.
Але лазер, так само як і будь-який інший макроскопічний осцилятор, схильний до зовнішніх впливів: змінюються температура, тиск, довжина резонатора - і частота йде. Щоб цього не відбувалося, ми частоту лазера прив'язуємо до частоти будь-якого атомного переходу, які набагато менше схильні до зовнішніх впливів. І тут вступає в дію не лазерна фізика, а вже атомна спектроскопія. Ми повинні підібрати відповідний надвузьких перехід, до якого можемо прив'язатися.
Така робота йде досить давно в усьому світі, і зараз одиниця часу, якою ми користуємося, визначена через частоту атомного переходу - це так званий надтонкий перехід в атомі цезію. Частота його дорівнює приблизно 9,2 ГГц, тобто вона лежить в мікрохвильовому діапазоні. А наша специфіка - оптичні годинник, що працюють в оптичному діапазоні і мають частоту приблизно на п'ять порядків більше. Переваги переходу в оптичний діапазон полягають в тому, що тут ми потенційно можемо отримати більш високі точності. Наприклад, в мікрохвильовому діапазоні відносна точність - 16-й знак після коми, і схоже, що це межа того, чого ми можемо досягти. Дослідники в інших лабораторіях повільно-повільно підходять до цієї межі. В оптичному діапазоні ця точність досягнута вже зараз, і можливість підвищити точність оптичних годин на порядок або навіть на два представляється сьогодні цілком реальною.
- Навіщо потрібна така точність?
- По-перше, для синхронізації. Коли передаються великі масиви даних, синхронізація необхідна, оскільки вона дозволяє уникати великого резервного копіювання, що значно полегшує передачу великих баз даних. Крім того, точний годинник вкрай необхідні для точної навігації. Ця історія сягає в глибину століть: перші хронометри, як відомо, були розроблені саме для поліпшення навігації. Зараз сучасний супутниковий рівень навігації, тобто глобальні навігаційні системи, все так же заснований на вимірюванні часу. З цієї причини на всіх супутниках глобальних навігаційних систем розташовуються атомний годинник, а ще плюс до того є годинник на наземних станціях, за якими коригується час годин на супутниках. Всі ці годинник працює в мікрохвильовому діапазоні.
Для підвищення точності на один-два порядки необхідний перехід в оптичний діапазон, що виведе нас на сантиметровий і субсантіметровий рівні точності позиціювання. Є більш глибинні проблеми. Сучасні оптичні годинник настільки точні, що чутливі вже до невеликого переміщення в просторі, зокрема до зміни висоти, вловлюючи відмінності аж до сантиметра, і на цьому може бути заснована принципово нова технологія геодезії (так звана релятивістська геодезія) на надточних оптичних годиннику. Знаючи висоту з такою точністю, ми можемо вимірювати вже гравітаційний потенціал за допомогою яких ансамблю таких годин, розташованих на поверхні Землі, або мобільних пристроїв.
З фундаментальної точки зору основне додаток оптичних стандартів часу і частоти засноване на тому, що частота, а разом з нею і час, - найбільш точно фізично вимірювані величини. Такі системи створюються і будуть створюватися в подальшому, а це дозволяє проводити перевірку фундаментальних фізичних теорій кожен раз на більш високому рівні точності в міру розвитку оптичних стандартів. Тут маються на увазі спеціальна і загальна теорія відносності, а також різні моделі у фізиці елементарних частинок.
Може також виявитися, що головні фізичні константи, наприклад постійна тонкої структури, можуть трохи варіювати. Порівняння ходу двох надточних оптичних годин може виявити такі варіації в лабораторному експерименті. Сьогодні вони не фіксуються, але це означає всього лише, що якщо вони і є, то в межах, що знаходяться нижче існуючої похибки оптичних годин. Експериментально встановлений вже зараз верхня межа на варіацію постійної тонкої структури - надзвичайно важлива інформація для теоретиків, які розробляють сучасні моделі фізики елементарних частинок.
- Що в цьому напрямку робите ви?
- C точки зору експерименту всі сучасні оптичні стандарти частоти, які можна охарактеризувати як надточні (тобто ті, точність яких перевищує точність мікрохвильових годин і вище, ніж 10 -16), використовують ультрахолодні атоми, отримані лазерним охолодженням. У нашому інституті дві такі установки. Одна з них заснована на охолодженні одиночних іонів ітербію. Ми охолоджуємо іон лазером, він захоплюється електромагнітної пасткою і на ньому вже можна будувати стандарт частоти, тобто задавати атомним годинником необхідну точність. Ми до цього рухаємося, і, мабуть, перші результати по прив'язці частоти лазера до відповідної частоті в іоні ітербію з'являться вже в цьому році.
Інший напрямок - це нейтральні атоми магнію. На відміну від іона ітербію їх багато, ми теж охолоджуємо їх лазером, є можливість утримувати їх або в магнітно-оптичної пастці, або в так званих оптичних решітках. З магнієм ми проводили вимірювання по прив'язці частоти лазера з відповідним переходом і отримали результати, які говорять про відносну похибки 10 -16. Але ми будемо рухатися далі, для цього потрібно створити оптичну решітку, для якої потрібні певні лазери і ще додаткова стадія лазерного охолодження, яка для магнію в повному обсязі ніде в світі не реалізована.
Труднощі в тому, що заморозити велику кількість атомів до температур близько 10 мкК поки не виходить. А для нас це важливо, тому що наша майбутня решітка ловить атоми з температурою близько 10 мкК, а більш «теплі» атоми з температурами в 100 мкК вона утримувати не в змозі. У нас вже є теоретичні напрацювання в тому, як досягти таких температур додатковим лазерним охолодженням, будемо їх реалізовувати в експерименті.
А з точки зору теорії внесок дуже значний. Нашою групою розроблено цілий ряд нових спектроскопических методів, які дозволяють підвищити точність лазерного хронометра. Тут є дуже багато перешкод. По-перше, треба порушувати дуже слабкі переходи. Деякі з них настільки слабкі, що навіть дуже сильні лазерні поля їх не збуджують. Нами придуманий метод, при якому, додаючи відносно невелика магнітне поле, можна порушувати навіть практично наглухо заборонений перехід, причому за допомогою лабораторно доступного устаткування.
До того ж лазерне випромінювання має бути досить сильним, а це викликає певного сорту зрушення частоти і погіршує точність годин. Розроблений в нашому інституті метод дозволяє компенсувати зрушення різної природи, або зменшивши їх, або повністю виключивши.
- Чого ви хочете досягти в ідеалі?
- А для чого потрібна така точність?
- З точки зору фундаментальної фізики це безумовно потрібно: чим точніше годинник, тим для науки краще. А що стосується технічних додатків - їх поки важко собі уявити. Головним чином тому, що інші компоненти системи грубіше. Наприклад, ми не можемо сьогодні синхронізувати один з одним з такою точністю віддалені частини систем позиціонування. Це те, що потрібно глобальним навігаційним системам, але передавати сигнал з такою точністю через атмосферу, іоносферу представляється сьогодні фантастикою. У лабораторії, припустимо, ми цієї мети досягнемо, проте поки не зовсім ясно, яким чином реалізувати те ж саме за її межами. Але це поки, адже технології розвиваються, і цілком можливо, що з часом така точність знадобиться.
Якщо з сьогоднішнім рівнем точності годин ми здатні вловлювати сантиметрові відмінності по висоті, рівень 10 -20 дасть можливість фіксувати десяті частки міліметра.
- Я теоретик, і ті теоретичні методи, про які я говорив, розроблені нашою групою, яка базується в двох місцях. В Інституті лазерної фізики власної лабораторії у мене немає. А в університеті лабораторія є, і вона саме теоретична.
- Чи важко вам поєднувати чисто наукову роботу і адміністративну?
- На новій посаді важко, тому що зовсім мало часу залишається на науку. Я намагаюся проводити якомога більше обговорень і в них брати участь, це мені допомагає бути в курсі того, що відбувається в інституті. Зрозуміло, я знаю, що робиться в нашій групі, але самому сісти і помалювати формули або попрацювати на комп'ютері майже не виходить. Це необхідно, щоб не втратити форму, але з часом дуже важко.
- Теоретик на чолі інституту, де основна діяльність пов'язана зі спостереженнями й експериментом, - чи немає тут протиріччя?
- Поки сам не спробуєш, не зрозумієш. Але в кріслі директора інституту я дійсно сиджу дуже недовго. Так що поживемо - побачимо.
Олексій Володимирович Тайченачев
Доктор фізико-математичних наук, професор, директор Інституту лазерної фізики СО РАН.
Закінчив фізичний факультет Томського державного університету в 1986 р Працював на кафедрі теоретичної фізики ТГУ, в Далекосхідному вищому інженерно-морському училищі (нині Морський державний університет), в Новосибірському державному університеті.
Сфера наукових інтересів: лазерна спектроскопія надвисокої роздільної здатності, лазерне охолодження атомів, фізика ультрахолодних атомів, квантова оптика, нелінійна оптика, нерелятивістська квантова електродинаміка, квантова інформація.