От первых солнечных часов до современных атомных хронометров, приборы для измерения времени постоянно улучшались в стремлении к высочайшей точности. Недавно произошел значительный прорыв — создан прототип ядерных часов, который может изменить не только методику измерения времени, но и наше понимание физики. Ученые десятилетиями стремились создать ядерные часы для беспрецедентно точного хронометража.
— Представьте себе наручные часы, которые не теряют ни секунды даже спустя миллиарды лет. Мы еще не дошли до этого, но это исследование приближает нас к такому уровню точности, — сказал Цзюнь Йе, физик из NIST и JILA.
В статье, опубликованной в журнале Nature, ученые отметили, что их разработка пока уступает по точности атомным часам. Однако главная цель — не текущая точность. Этот прототип — первый шаг к применению тория. По словам физика Торстена Штрумма из Венского технического университета, с помощью этого прототипа они продемонстрировали, что торий может использоваться как хронометр для исключительно точных измерений.
Переход от атомных часов к ядерным. В стандартных часах время фиксируется кварцевым генератором, заставляющим кристаллы вибрировать с определенной частотой. В атомных часах лазеры вызывают переход электронов между энергетическими уровнями ядер атомов. Хотя атомные часы чрезвычайно точны, их частота ограничена и они требуют периодической настройки, что уменьшает их надежность при высокоточечных измерениях. Ядерные часы могут решить эту проблему. Если атомные часы теряют одну секунду за миллионы лет, то ядерные — за миллиарды. По словам Штрумма, «помимо лазера, нужна квантовая система, которая высоко избирательна к определенной частоте лазера».
Мысль использовать ядра атомов для создания более точных часов захватывала умы ученых на протяжении десятилетий. Ядро, будучи меньше атома, менее подвержено влиянию внешних магнитных полей. Однако трудность заключалась в энергии, необходимой для переключения ядра между состояниями. Торий оказался исключением: его ядра могут быть переключены лазером. Важно лишь знать разницу между состояниями ядра.
В апреле профессор Штрумм и его команда сделали важный шаг, точно определив эту энергетическую разницу, что позволило переводить ядра тория целенаправленно. Увеличивая точность, можно изменять энергетический уровень ядра тория-229, как и для электронов. В эксперименте ученые объединили стронциевые атомные часы JILA с кристаллом, содержащим ядра тория, и преобразовали инфракрасный свет в ультрафиолетовый.
— Нам нужен способ преобразования инфракрасных частот в ультрафиолетовые, подобно тому, как механическая трансмиссия преобразует медленное вращение в быстрое с помощью соответствующих шестеренок. Мы достигли килогерцовой точности, что в миллион раз лучше, чем в предыдущих тестах. Мы надеемся превзойти лучшие атомные часы в течение 2–3 лет. Все, что остается, — это технические разработки, и нет никаких серьезных препятствий, о которых стоило бы беспокоиться, — объясняет Штрумм.
Они использовали ультракороткие инфракрасные лазерные импульсы разной частоты, создавая своеобразную частотную гребенку. Когда эта гребенка проходила через газ ксенона, атомы излучали ультрафиолетовый свет, направленный затем на кристалл — «ключевой элемент исследования», как объяснили ученые.
В будущем эта технология позволит значительно точнее измерять и другие физические величины. Такая точность может быть использована для изучения основных законов природы и определения, являются ли некоторые физические константы действительно постоянными.
В конечном итоге, ядерные часы могут стать новой основой для всей метрологии. Они предоставят более точные эталоны времени и частоты, которые будут необходимы для развития передовых технологий в самых различных областях науки и техники. Без преувеличения, появление ядерных часов может стать отправной точкой новой эры в науке и технологии, влияя не только на прогресс человечества, но и на наше понимание вселенной в целом.