Замислете часовник кој отчукува толку стабилно што не губи ниту секунда, дури и откако ќе работи милијарда години. Научниците сега се поблиску од кога било до тоа ниво на прецизност во мерењето на времето, покажа новото истражување.
Таков уред во голема мера би ги надминал можностите на атомските часовници, кои дефинираат секунди преку контролирани енергетски скокови во електроните на атомот и во моментов се врв на точноста на мерењето на времето. Во атомските часовници сигналите кои ги возбудуваат атомите, осцилираат со фреквенција од една милијарда пати во секунда, пишува CNN.
Истражувачите неодамна развија техника која може да ја зголеми оваа точност со активирање и мерење на осцилации во уште покомплексна цел – јадрото на атомот. Научниците користеле ултравиолетова светлина за да ги возбудат нуклеарните честички во атом на ториум-229, вграден во цврст кристал. Тие потоа ја измериле фреквенцијата на енергетските импулси кои влијаат на јадрото – еквивалент на нишалото во обичен часовник – со броење на брановите во УВ сигналот со алатка наречена чешел за оптичка фреквенција.
Индуцирањето енергетски скокови во јадрото бара многу поголема сигнална фреквенција отколку што е потребна за атомски часовници. Со повеќе бранови циклуси во секунда, овој пристап се очекува да овозможи попрецизно време.
Откритие кое може да промени сè
Иако нивниот нуклеарен часовник сè уште е во развој, тој може да го трансформира не само мерењето на времето, туку и проучувањето на физиката, па дури и да влијае на начинот на кој научниците ја истражуваат структурата на универзумот. Прототипот веќе е прецизен како атомски часовник, а идните верзии се очекува да бидат уште попрецизни и стабилни, според истражувањето објавено на 4 септември во списанието Nature.
„Бидејќи истражувачите покажаа дека е можно да се произведат и измерат овие сигнали, има многу работи што можеме да ги притиснеме за дополнително да ја подобриме точноста“, рече водечкиот автор на студијата Чуанкун Џанг, студент на JILA – истражувачки центар финансиран од Универзитетот во Колорадо Болдер и Националниот институт за стандарди и технологија.
На пример, прилагодувањата може да вклучуваат и прилагодување на фреквенциите на ласерите кои го таргетираат јадрото. „Ова дело навистина ја означува ерата на нуклеарниот часовник“, вели д-р Олга Кочаровскаја, професор по физика на Универзитетот А&М во Тексас, која не била вклучена во истражувањето.
Во 2023 година, Кочаровскаја и другите истражувачи ги тестираа јадрата на атоми на скандиум-45 како можни кандидати за нуклеарен часовник. Во тоа време, тие атоми ја произведуваа најсилната енергетска транзиција – и мерливиот пулс – што некогаш е забележан во јадрото, но новите резултати од ториум-229 генерираа посилен сигнал и беа постабилни, истакнува Кочаровскаја. „Нема сомнеж дека таков часовник е изводлив и наскоро ќе биде изграден“, тврди Кочаровскаја.
Атомски часовници
Во атомските часовници, електроните на атомите се изложени на електромагнетно зрачење на одредени фреквенции. Изливите на енергија ги возбудуваат електроните, туркајќи ги во повисока орбита околу атомот. Осцилациите што ги поттикнуваат транзициите на електрони помеѓу состојбите го означуваат текот на времето.
Атомските часовници се далеку посигурни од секојдневните часовници кои мерат секунди во вибрациите на кварцните кристали, кои се склони кон паѓање од синхронизација. Со децении, атомските часовници се користат во ГПС технологиите за истражување на вселената и меѓународно мерење на времето.
Сепак, атомските часовници се исто така подложни на губење на синхронизацијата. Електромагнетните пречки може да ги нарушат возбудените електрони и да влијаат на точноста на мерењето на времето.
Од друга страна, честичките во јадрото на атомот потешко се прекинуваат од електроните. Протоните и неутроните се цврсто поврзани заедно со силната нуклеарна сила – најсилната од сите фундаментални сили. Брановите должини кои можат да предизвикаат нуклеарна транзиција осцилираат на повисоки фреквенции, овозможувајќи попрецизни мерења на времето.
Пред оваа студија, имаше неколку важни откритија во развојот на нуклеарни часовници. Првото откритие е направено во 1976 година. Се покажа дека јадрото на ториумот е „уникатно ниска енергија“ и може да се турка во возбудена состојба со помош на вакуумска ултравиолетова (VUV) ласерска светлина. До 2003 година, научниците мислеа дека изотопот ториум-229 би бил добар кандидат за нуклеарни часовници бидејќи на ториумот му е потребна помалку енергија за да го возбуди јадрото од повеќето други видови атоми.
„Нашата работа се надоврзува на тоа. Можевме да ја возбудиме нуклеарната транзиција и различните енергии на транзиција“, рече Џанг, додавајќи дека резултатите се околу милион пати попрецизни од претходните мерења.
Самото проучување на физиката може да биде револуционизирано
Точноста и стабилноста на атомските часовници веќе им дадоа на научниците важни алатки за проучување на земјотреси, гравитациони полиња и простор-време. Тие полиња би можеле да добијат „голем поттик“ благодарение на нуклеарните часовници, тврди Кочаровскаја. Нуклеарните часовници не само што би биле попрецизни, туку и поедноставни и попреносливи бидејќи, за разлика од атомските часовници, тие не би барале високи услови на вакуум, екстремно ладење и моќна заштита од магнетни и електрични пречки.
Самото проучување на физиката може да се револуционизира со користење на нуклеарни часовници заедно со атомските часовници, смета Џанг. Следењето и споредувањето на односот на фреквенциите во двата типа часовници со текот на времето би можело да им помогне на научниците да утврдат дали основните физички константи се навистина константни како што изгледаат или се поместуваат на нивоа претходно премногу мали за мерење.
Оваа техника на спарен часовник може да го револуционизира проучувањето на темната материја, мистериозната супстанција која сочинува 80% од универзумот, но никогаш не била директно измерена.
Некои научници сугерираат дека темната материја е во интеракција со честички како што се електрони, кваркови и глуони, но во количини кои моментално не се откриваат.
„Сакаме да видиме дали темната материја би можела да комуницира со атомското јадро на малку поинаков начин во споредба со орбитата на електронот во атомот. Ако односот на транзициската фреквенција на нуклеарниот и атомскиот часовник се промени со текот на времето, тоа би било показател за нова физика“, рече Џанг.
Иако има уште долг пат пред нуклеарните часовници да ги надминат перформансите на атомските часовници, овие наоди сугерираат дека таквото време не е далеку.
„Како што се развиваат подобри извори на УВ ласер и се разработуваат некои од мистериите и триковите на нуклеарните часовници, очекувам дека некои од видовите експерименти што моментално ги правиме во мојата лабораторија за тестирање на релативноста и барање нова физика со атомски часовници, наместо тоа ќе се прави со нуклеарни часовници“, рече Шимон Колковиц, вонреден професор на Универзитетот во Калифорнија, Беркли.
