Вимірювання часу виходить на новий рівень: дві незалежні дослідницькі групи у Відні (Австрія) та Пекіні (Китай) створили працездатні прототипи ядерних годинників на основі торію-229. На відміну від уже звичних атомних годинників, ці прилади відстежують не переходи електронів, а зміни енергетичного стану самого атомного ядра. Як пише видання Popular Science, саме цей підхід може зробити їх у перспективі значно точнішими за будь-який із наявних атомних стандартів часу.
Чим ядерні годинники відрізняються від атомних
Сучасна глобальна мережа атомних годинників уже забезпечує неймовірну точність: похибка становить приблизно одну секунду на кожні 300 мільйонів років. Вони лежать в основі роботи GPS, телекомунікацій та інтернету.
Атомні годинники працюють завдяки тому, що лазер налаштовують на частоту світла, яка примушує електрони в атомі «перестрибувати» між двома енергетичними рівнями. Це періодичне явище використовується як надточний маятник.
Ядерні годинники йдуть далі й звертаються безпосередньо до ядра атома. Лазер у них налаштовують на частоту, на якій ядро торію-229 переходить між двома енергетичними станами. Вчені відзначають, що ядро в десятки тисяч разів менше за весь атом і значно менш чутливе до зовнішніх збурень, тож у принципі може забезпечити набагато вищу стабільність.
Як працює годинник на торії-229
Ключем до реалізації ядерних годинників став ізотоп торій-229, у якого перехід між енергетичними рівнями в ядрі відбувається при відносно низькій енергії. Зазвичай для так званого «стискання» (зміни стану) ядра потрібні колосальні енергетичні затрати, але торій-229 є рідкісним винятком.
В обох командах ядра торію-229 вбудовані у кристал, а спеціальний лазер «прицільно» взаємодіє з ними. Частота лазера підганяється так, щоб точно збігатися з переходом ядра між двома станами, а сам перехід використовується для стабілізації частоти випромінювання.
Один із співавторів дослідження, фізик Торстен Шумм (Thorsten Schumm) з Віденського технологічного університету, пояснює, що базова ідея полягає в тому, щоб за допомогою лазера змінювати енергетичний стан ядер торію, а потім використовувати ці ядра як еталон для утримання частоти лазера на стабільному рівні.
Щоб ядерний годинник працював, лазер має безперервно «супроводжувати» ядро, фіксуючи, коли воно переходить з одного стану в інший. Саме ця стабільна, надточна частота й відповідає відліку часу.
Австрійський і китайський прототипи в деталях
Обидва прототипи ядерних годинників описані в окремих публікаціях у журналі Nature. Кристали торію, на яких вони ґрунтуються, були вирощені незалежно, але приблизно в один період.
За результатами тестів, китайський годинник виявився приблизно у шість разів стабільнішим за австрійський. Водночас прототип із Відня став, за повідомленнями дослідників, першим ядерним годинником, який самостійно стабілізує свою роботу за принципом, схожим на сучасні атомні годинники.
Шумм у коментарі для азійських медіа назвав таку паралельну розробку прикладом «запеклої, але дружньої глобальної конкуренції». Команди фактично рухаються до однієї мети різними технічними маршрутами, стимулюючи одна одну вдосконалювати підхід.
Точність, обмеження та потенціал
Попри прорив, ядерним годинникам ще належить наздогнати й перевершити атомні. За оцінками дослідників, нинішній прототип може накопичити похибку близько однієї секунди за 30 мільйонів років. Це приблизно у 10 разів гірше, ніж у цезієвих атомних годинників, які зараз визначають офіційне поняття секунди.
Утім, науковці очікують, що вдосконалення лазерів — їхня потужність, ефективність і стабільність — а також поліпшення якості кристалів торію поступово підвищать точність нових приладів. Теоретичні оцінки свідчать, що зрілі ядерні годинники можуть відсунути межу невизначеності з сотень мільйонів до мільярдів років на секунду.
Така надточність відкриє можливість вимірювати надзвичайно слабкі ефекти, які нині майже недосяжні для експерименту. Серед потенційних застосувань згадують пошук і вивчення темної матерії та інші фундаментальні тести фізики Всесвіту.
Хто першим створить ядерний годинник, що справді перевершить найкращі атомні аналоги, наразі незрозуміло. Але вже зараз очевидно, що перші працюючі прототипи запустили новий етап перегонів за найточніший годинник у світі.