14.11.2024

Ученые создают самые точные часы в мире. Это может стать поворотным моментом для человечества.

Самые точные часы в мире будут терять всего одну секунду каждые 300 миллиардов лет — и когда-нибудь они, возможно, поместятся у вас в кармане.

От солнечных часов, отслеживающих путь солнца по небу , до песочных часов, отмечающих прохождение песка между стеклянными колбами, люди долгое время боролись с тем, как лучше всего измерять время. В этом году ученые добились быстрых успехов в создании самых точных часов человечества: ядерных часов.

Ядерные часы могли бы модернизировать наши самые передовые, самые современные атомные часы в десять раз, что означает, что они потенциально будут отставать на одну секунду каждые 300 миллиардов лет. По сравнению с мощностью оптических атомных часов , которые, как предполагается, отстают всего на одну секунду каждые 30 миллиардов лет, эта разница, похоже, не будет иметь значения. Однако, только реальные последствия будут огромными, включая улучшенное обнаружение землетрясений и спутниковые навигационные системы. Помимо улучшения нашей повседневной жизни, эти более точные часы также могут помочь раскрыть фундаментальные механизмы нашей Вселенной.

Но ядерные часы — это не просто более точные часы. Они работают 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 менее одной десятитриллионной размера атома — ядра менее чувствительны к изменениям в их среде, таким как блуждающие электрические и магнитные поля. Это делает ядерные часы более стабильными, чем современные атомные часы, которые полагаются на внешний электрон атома. И поскольку их не нужно держать в вакууме или переохлаждении, чтобы минимизировать движение атомов, ядерные часы также потенциально гораздо более портативны.

Все современные часы полагаются на осциллятор — нечто, что движется в регулярных, повторяющихся циклах — и способ подсчета этих циклов. Затем дело за калибровкой того, сколько циклов соответствует секунде (например, два колебания маятника для дедушкиных часов), источника питания для приведения часов в движение и какого-то корпуса, чтобы все это заключить.

К 1949 году ученые Национальный институт стандартов и технологий разрабатывал первые атомные часы. Часы на цезии-133 появились в середине 1950-х годов и до сих пор используются для определения вторых. Эта технология представляла собой огромное улучшение точности (насколько повторяемо измерение) и достоверности (насколько близко измерение к своему истинному значению). Это потому, что генератор этих атомных часов — это электромагнитное излучение, необходимое для того, чтобы переместить внешний электрон 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 Цзюнь Йе, доктор философии, физик из Университета Колорадо в Боулдере и руководитель одной из групп, которые впервые собрали все компоненты будущих ядерных часов. Рассмотрим два маятника: один качается один миллиард раз в секунду, а другой качается один миллион раз в секунду. «Вы знаете, что тот, который качается один миллиард раз, будет точнее — просто потому, что пропуск одного цикла из 10⁹ циклов — это ошибка в одну часть на миллиард против одной части на миллион», — говорит Йе.

Привязка осциллятора к атому также упрощает калибровку часов. Энергия, необходимая для перевода атома определенного элемента в возбужденное состояние, является фундаментальной характеристикой этого элемента. Например, электроны всех атомов стронция — часть последнего поколения оптических атомных часов — совершают этот переход, когда на них попадают световые волны с частотой 429 триллионов циклов в секунду. Это означает, что часы отстают на секунду каждые 40 миллиардов лет — примерно в три раза больше возраста Вселенной.

Теперь ученые гонятся за еще большим (и более неуловимым) призом — ядром. Как и электроны, ядро ​​атома можно перевести в более высокое энергетическое состояние. «Но поскольку ядро ​​мало, задействованные силы очень, очень сильны, а энергетические масштабы намного выше», — говорит Шумм, частый соратник Йе. Необходимо излучение более высокой частоты, такое как гамма-лучи , и они в тысячи или миллионы раз более энергичны, чем излучение, необходимое для электронных переходов. Хотя это означает более точные часы, лазеров в этом диапазоне энергий пока не существует.

Но в 1976 году ученые обнаружили, что изотоп тория, 229-Th, имеет удивительно низкую энергию возбуждения по сравнению с другими атомными ядрами из-за счастливой случайности природы. «С тех пор это был очень долгий путь, чтобы сузить его до множителя где-то между нулем и 10 электрон-вольт», а затем приблизиться как можно ближе к точному измерению, говорит Шумм.

Тем не менее, технология для получения необходимого излучения даже при этой «более низкой» энергии ядерного возбуждения находилась в зачаточном состоянии до недавнего времени. «За последние несколько десятилетий было разработано множество технологий квантовой инженерии, которые позволили нам действительно продвинуть производительность» этих часов, говорит Йе. И в последние несколько лет эта охота усилилась, и группы по всему миру с возрастающей точностью определяют энергию, необходимую для осуществления этого ядерного перехода.

В 2023 году совместная работа в ЦЕРНе наблюдала этот переход с другой стороны уравнения. Они ждали, пока 229-Ac (возбужденное состояние целевого изотопа тория) распадется до 229-Th, и измерили энергию фотона, испускаемого в результате (8,338 эВ). В следующем году ученые из Германии, Австрии и США еще больше уточнили это число. Они использовали широкополосные лазеры, чтобы напрямую вызвать это возбуждение в атомах 229-Th, встроенных в кристалл, и наблюдали последующее свечение, когда ядра релаксировали обратно в свое основное состояние.

«Работа группы ЦЕРНа была очень важна для нашего исследования. Она сузила энергию ядерного перехода» и подтвердила, что включение атомов тория в кристаллы гарантирует возможность обнаружения четкого сигнала, говорит Эрик Хадсон, профессор Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Его группа 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 лучшее значение, с помощью оптического частотного гребня — многоцветного лазера, который позволяет ученым охватывать целевой диапазон потенциальных частот с чрезвычайно высоким разрешением.

Итак, когда же мы сможем положить в карман ядерные часы? Пока еще нет, говорит Йе. По его прогнозам, в ближайшие пять лет будет много разработок в направлении более мощных, более точных лазеров и другой инфраструктуры, необходимой для создания автономных ядерных часов. «Но я не могу сказать вам прямо сейчас, в какой день на вашем телефоне появится портативная система, работающая от ядерных часов. Таково видение, но, вероятно, это займет некоторое время».

Конни Чанг.