01.03.2023. - Как заставить тикать ядерные часы

Как заставить тикать ядерные часы

Хотя ядерные часы не очень полезны для определения времени, они могут позволить ученым проверить фундаментальное понимание человечеством того, как устроена реальность. Торстен Шумм — часовщик, но не из тех, кто сидит за верстаком, увешанным пружинами и шестернями, с увеличительной лупой в одном глазу. Нет, он делает часы совершенно другого уровня. Атомные часы могут показаться достаточно знакомыми, но если исследования Шумма пойдут по плану, они могут привести к созданию ядерных часов. И это не только показывает время, но и может помочь раскрыть некоторые из самых тщательно охраняемых секретов Вселенной. «Это все еще мечта», — сказал Шумм, профессор Венского технологического университета в Австрии. «Никто не знает, как это сделать». Он намерен изменить это и в процессе пролить свет на некоторые фундаментальные силы природы.

Часы могут быть основаны на чем-либо, что колеблется через равные промежутки времени и может считываться. Первые часы были механическими. Сегодня во многих наручных часах используются электромеханические колебания кристалла кварца. Но технология часов продвинулась вперед в 1950-х годах с появлением атомных часов. Атомы состоят из ядра, окруженного вращающимся облаком электронов. Ход атомных часов зависит от «квантовых переходов», которые совершают эти электроны. Это работает так. Электроны могут поглощать пакет энергии, который переводит их из «основного состояния» в «возбужденное состояние» с более высокой энергией. Затем они могут вернуться в основное состояние, высвобождая этот пакет энергии по пути вниз. Эти энергетические переходы происходят с определенной частотой, которую можно использовать для хронометража. Все это происходит удивительно быстро.

Например, одна секунда официально определяется как 9 192 631 770 колебаний энергетического пакета, возбуждающего атом цезия-133. Атомные часы настолько точны, потому что они производят очень много колебаний или тактов. Таким образом, если механизм считывания пропускает один или два из них, обычно это не представляет большой проблемы, когда их более 9 миллиардов в секунду. Ядерные часы другие. Тик зависел бы не от электронов, а от колебаний самого ядра. Это во много раз быстрее, чем тики электронных переходов. Но, как говорит Шумм, работа над запуском ядерных часов продолжается.

Он заинтересовался разгадкой этой ядерной загадки отчасти по счастливой случайности. Оказывается, редкий изотоп элемента торий-229 — самый простой материал, из которого можно построить ядерные часы. Это потому, что считается, что у него самые медленные тики среди всех ядер. Кроме того, институт, в котором работает Шумм, — одно из немногих мест, где есть доступ к этому материалу. Торий-229 не встречается в природе. Он производится только путем ядерного распада некоторых видов урана. Венский технологический университет заключил соглашение с Окриджской национальной лабораторией в США, которое позволяет ему получать некоторое количество тория-229 из остатков урана, использовавшегося в ядерных испытаниях несколько десятилетий назад. Шумм не упустил из виду, что его имя и название элемента произошли от мифического скандинавского бога Тора. «Это меня щекочет, — сказал он.

С 2020 года Шумм проводит фундаментальные исследования по созданию ядерных часов в рамках финансируемого ЕС проекта ThoriumNuclearClock, который продлится до начала 2026 года. Он и его коллега, профессор Эккехард Пайк из Национального института метрологии Германии в Брауншвейге, вместе с Марианной Сафроновой из Университета Делавэра в США и Питером Тирольфом из LMU Мюнхена в Германии разделяют роль главных исследователей проекта. Чтобы заставить тикать ядерные часы, их нужно подтолкнуть лазером, настроенным точно на нужный уровень энергии. Но для большинства ядер необходимая энергетическая частота недоступна при современных лазерных технологиях. Торий-229 — одно из самых больших стабильных ядер из существующих. Считалось, что он может перейти в состояние с очень низкой энергией, которой могут достичь современные лазеры, хотя никто на самом деле не понимает, как и почему он это делает. «Начнем с того, что было даже не совсем ясно, существует ли такое состояние тория-229, — сказал Шумм.

Теперь известно, что он существует. В 2020 году Шумм и его коллеги опубликовали измерение уровня энергии изотопа. С тех пор они продолжали опираться на эти знания. Все это открывает путь к реальному тестированию часов. Шумм и его коллеги-исследователи работали над созданием лазера, специально разработанного для воздействия на торий именно на нужной частоте. Вскоре они планируют впервые направить этот лазер на несколько захваченных атомов тория, чтобы заставить их тикать. «Мы очень взволнованы результатами этого эксперимента, потому что это то, чего раньше никто не делал», — сказал Пейк. «Мы и другие предпринимали подобные эксперименты с торием-229 в прошлом, но безуспешно. На этот раз мы чувствуем, что гораздо лучше подготовлены».

Для этих экспериментов атомы тория будут удерживаться в атомных ловушках — очень тонкое дело. Таким образом, в то время как ThoriumNuclearClock уже был запущен, Шумм также руководил двухлетним проектом CRYSTALCLOCK, финансируемым ЕС, который был направлен на разработку более простой конструкции и механизма считывания для ядерных часов. Идея здесь заключалась в том, чтобы вырастить кристалл, состоящий из фторида кальция, и иметь рассеяние атомов тория-229, распределенных по материалу. Это обеспечивает твердый материал, с которым гораздо легче работать, чем с атомными ловушками. Шумм и его коллеги, в том числе доктор Томас Сикорский, опубликовали статью, демонстрирующую, что эти кристаллы, легированные торием, можно будет вырастить в 2022 году. Следующим шагом будет начать работу над тем, как можно будет прочитать тик этих кристаллов. Шумм говорит, что для этой цели можно было бы приспособить технику, называемую ядерной томографией, и весь процесс был бы намного проще, чем использование атомов тория в ловушках.

Это стоит всех усилий не потому, что нужны более точные часы, а потому, что фундаментальное понимание человечества того, как работает реальность, может быть проверено. Лучшие физические теории объясняют, что во Вселенной действуют четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие. Сила этих сил известна, и эти числа часто называют фундаментальными «константами». Но неизвестно, была ли сила этих сил и всегда будет одинаковой. Есть признаки того, что силы были намного сильнее в далеком прошлом, близком к Большому Взрыву, и, возможно, они все еще изменяются в незначительной степени. Атомные и ядерные часы могут позволить проверить это. На тиканье атомных часов в основном влияет сила электромагнетизма, поэтому, если бы скорость тиканья начала меняться, это означало бы дрейф лежащей в основе силы.

Однако электромагнетизм очень слаб, поэтому атомные часы, несмотря на их захватывающую дух точность, могут никогда не уловить каких-либо изменений в нем. На тиканье ядерных часов, напротив, влияет сильное взаимодействие. Таким образом, если бы и когда бы должны были быть созданы работающие ядерные часы, их можно было бы использовать для отслеживания того, есть ли какие-либо изменения сильного взаимодействия с течением времени. «Переход от атомов к ядрам не означает улучшение часов», — сказал Шумм. «На самом деле, вполне вероятно, что первые ядерные часы не будут так хороши, как лучшие атомные часы. Дело скорее в том, чтобы иметь совершенно новую технологию, которая могла бы в основном проверить сильное взаимодействие».

Источник