|
Создают самые точные часы
|
|
|
|
Начиная с солнечных часов, которые отслеживают движение солнца по небу, и заканчивая песочными часами, которые отмечают прохождение песка между стеклянными шариками, люди уже давно ломают голову над тем, как лучше измерять время. В этом году ученые добились стремительных успехов в создании самых точных на сегодняшний день часов человечества - ядерных часов.
|
|
|
|
Ядерные часы могли бы улучшить наши самые совершенные, ультрасовременные атомные часы в десять раз, что означает, что они потенциально будут снижаться на одну секунду каждые 300 миллиардов лет. По сравнению с мощностью оптических атомных часов, которая, по оценкам, снижается всего на одну секунду каждые 30 миллиардов лет, эта разница, похоже, не имеет значения. Однако сами по себе последствия для реального мира будут огромными, включая усовершенствованные системы обнаружения землетрясений и спутниковой навигации. Помимо улучшения нашей повседневной жизни, эти более точные часы могли бы также помочь раскрыть фундаментальные принципы работы нашей Вселенной.
|
|
|
|
Но ядерные часы - это не просто более точные часы. Это работает благодаря определенным процессам внутри ядерных ядер атомов, “и это принципиально иные процессы, чем те, что происходят в электронной оболочке”, которые управляют всеми атомными часами, говорит физик Торстен Шумм, доцент, изучающий ядерные часы в Венском технологическом университете.
|
|
|
|
|
|
|
Расположенные глубоко в сердце атома, где они занимают пространство, составляющее менее одной десятитриллионной размера атома, ядра менее чувствительны к изменениям в окружающей среде, таким как рассеянные электрические и магнитные поля. Это делает ядерные часы более стабильными, чем современные атомные часы, которые работают на самом внешнем электроне атома. А поскольку их не нужно хранить в вакууме или переохлаждать, чтобы свести к минимуму движение атомов, ядерные часы также потенциально гораздо более портативны.
|
|
|
|
Все современные часы основаны на генераторе — чем—то, что движется регулярными, повторяющимися циклами, - и способе подсчета этих циклов. Затем нужно откалибровать, сколько циклов соответствует секунде (скажем, два колебания маятника для старинных часов), найти источник питания, приводящий часы в движение, и какой-нибудь корпус для всего этого.
|
|
|
|
К 1949 году ученые Национального института стандартов и технологий разработали первые атомные часы. Часы с цезием-133 появились на рынке в середине 1950-х годов и до сих пор используются для определения секунды. Эта технология позволила значительно повысить точность (повторяемость измерений) и безошибочность (степень приближения результатов измерений к их истинному значению). Это связано с тем, что генератор этих атомных часов - это электромагнитное излучение, необходимое для перемещения самого удаленного электрона атома на более высокую орбиту или оболочку. Для цезия это микроволновый луч с частотой ровно 9 192 631 770 циклов в секунду.
|
|
|
|
Это большее число циклов имеет решающее значение, говорит Чжун Йе, доктор философии, физик из Университета Колорадо в Боулдере и руководитель одной из команд, которые первыми собрали все компоненты будущих ядерных часов. Рассмотрим два маятника — один качается миллиард раз в секунду, а другой - миллион раз в секунду. “Вы знаете, что тот, который качается миллиард раз, будет более точным — просто потому, что пропуск одного цикла из 10^9 циклов - это ошибка в размере одной части на миллиард, а не в размере одной части на миллион”, - говорит Йе.
|
|
|
|
Привязка генератора к атому также облегчает калибровку часов. Энергия, необходимая для приведения атома определенного элемента в возбужденное состояние, является фундаментальной характеристикой этого элемента. Например, электроны всех атомов стронция, входящих в состав оптических атомных часов последнего поколения, совершают этот переход, когда на них попадают световые волны с частотой 429 триллионов циклов в секунду. Это приводит к тому, что часы теряют секунду каждые 40 миллиардов лет — примерно в три раза больше возраста Вселенной.
|
|
|
|
Теперь ученые охотятся за еще более крупной (и неуловимой) добычей — ядром. Как и электроны, ядро атома можно перевести в состояние с более высокой энергией. “Но поскольку ядро маленькое, задействованные силы очень и очень велики, а энергетические масштабы намного выше”, - говорит Шумм, часто сотрудничающий с Ye. Необходимо излучение более высокой частоты, такое как гамма-лучи, и его энергия в тысячи-миллионы раз выше, чем требуется для электронных переходов. Хотя это означает, что часы должны быть более точными, лазеров с таким диапазоном энергий пока не существует.
|
|
|
|
Но в 1976 году ученые обнаружили, что изотоп тория, 229-й, обладает удивительно низкой энергией возбуждения по сравнению с другими атомными ядрами благодаря счастливой случайности природы. “С тех пор был проделан очень долгий путь, чтобы сузить его до коэффициента от нуля до 10 электрон-вольт”, - говорит Шумм, - "а затем максимально приблизиться к точному измерению".
|
|
|
|
Тем не менее, технология получения необходимого излучения даже при такой “низкой” энергии ядерного возбуждения только зарождалась до недавнего времени. “За последние несколько десятилетий было разработано множество технологий квантовой инженерии, которые позволили нам по-настоящему повысить производительность” этих часов, - говорит Йе. И в последние несколько лет эта охота активизировалась, и группы по всему миру все с большей точностью определяют энергию, необходимую для осуществления этого ядерного перехода.
|
|
|
|
В 2023 году сотрудники ЦЕРНА наблюдали этот переход с другой стороны уравнения. Они подождали, пока 229-Ac (возбужденное состояние целевого изотопа тория) распадется до 229-го и измерили энергию испускаемого в результате фотона (8,338 эВ). В следующем году ученые из Германии, Австрии и Соединенных Штатов уточнили это число еще больше. Они использовали широкополосные лазеры для непосредственного возбуждения 229-го атома, встроенного в кристалл, и наблюдали последующее свечение, когда ядра возвращались в свое основное состояние.
|
|
|
|
“Работа группы ЦЕРН была очень важна для наших исследований. Она позволила сузить область применения энергии ядерного перехода” и подтвердила, что включение атомов тория в кристаллы позволяет получать четкий сигнал, - говорит Эрик Хадсон, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Его команда впервые предложила искать переход тория с помощью кристаллов.
|
|
|
|
Вооружившись этими оценками, Йе и его коллеги затем измерили это число с точностью, в миллион раз превышающей предыдущее наилучшее значение, используя оптическую частотную гребенку - разноцветный лазер, который позволяет ученым охватить целевой диапазон потенциальных частот с чрезвычайно высоким разрешением.
|
|
|
|
Итак, когда мы можем ожидать появления ядерных часов в наших карманах? Пока не совсем, говорит Йе. В ближайшие пять лет, по его прогнозам, будут активно разрабатываться более мощные и точные лазеры и другая инфраструктура, необходимая для создания автономных ядерных часов. “Но я не могу сказать вам прямо сейчас, в какой день в вашем телефоне появится портативная система, работающая от ядерных часов. Такова идея, но, вероятно, это займет некоторое время”.
|
|
|
|
Источник
|
