12.09.2024 Скопје
Замислете часовник кој отчукува толку стабилно што не губи ниту секунда, дури и по милијарда години. Научниците сега се поблиску од кога било до оваа точност во мерењето на времето, покажува новото истражување.
Таков уред далеку би ги надминал можностите на атомските часовници, кои ги дефинираат секундите со контролирани енергетски скокови во електроните на атомот и моментално претставуваат врв на прецизност во мерењето на времето. Во атомските часовници сигналите кои ги возбудуваат атомите осцилираат со фреквенција од милијарда пати во секунда.
Истражувачите неодамна развија техника која може да ја зголеми оваа точност со активирање и мерење на осцилации во уште покомплексна цел – јадрото на атомот.
Научниците користеле ултравиолетова светлина за да ги возбудат нуклеарните честички во атом на ториум-229, вграден во цврст кристал. Тие потоа ја мереле фреквенцијата на енергетските импулси кои влијаат на јадрото – еквивалент на нишалото во обичен часовник – со броење на брановите во УВ сигналот користејќи алатка наречена чешел за оптичка фреквенција.
Возбудливите енергетски скокови во јадрото бараат многу поголема фреквенција на сигнал отколку што е потребна за атомски часовници. Со повеќе бранови циклуси во секунда, овој пристап се очекува да овозможи попрецизно време.
Иако нивниот нуклеарен часовник сè уште е во развој, тој може да го трансформира не само мерењето на времето, туку и проучувањето на физиката, како и да влијае на начинот на кој научниците ја истражуваат структурата на универзумот. Прототипот е веќе прецизен како атомски часовник, а идните верзии се очекува да бидат уште попрецизни и стабилни.
„Бидејќи истражувачите покажаа дека е можно да се произведат и измерат овие сигнали, има многу работи што можеме да ги подобриме за дополнително да ја подобриме точноста“, рече водечкиот автор на студијата Чуанкун Џанг, дипломиран студент на JILA, истражувачки центар финансиран од Универзитетот. од Колорадо Болдер и Националниот институт за стандарди и технологија.
На пример, прилагодувањата би можеле да вклучуваат прилагодување на фреквенциите на ласерите што го таргетираат јадрото.
„Ова дело навистина го означува почетокот на ерата на нуклеарниот часовник“, вели д-р Олга Кочаровскаја, професорка по физика на Универзитетот А&М во Тексас, која не била вклучена во истражувањето.
Во 2023 година, Кочаровскаја и другите истражувачи ги тестираа јадрата на атоми на скандиум-45 како можни кандидати за нуклеарен часовник. Во тоа време, тие атоми ја создадоа најсилната енергетска транзиција – и мерливиот пулс – некогаш забележан во јадрото, но новите резултати од ториум-229 генерираа посилен сигнал и беа постабилни, истакнува Кочаровскаја.
„Нема сомнеж дека таков часовник е изводлив и наскоро ќе биде направен“, тврди таа.
Во атомските часовници, електроните на атомите се изложени на електромагнетно зрачење на одредени фреквенции. Енергетските импулси ги возбудуваат електроните, туркајќи ги во повисока орбита околу атомот. Осцилациите што ги поттикнуваат транзициите на електрони помеѓу состојбите го означуваат текот на времето.
Веродостојноста на атомските часовници далеку ги надминува секојдневните часовници кои мерат секунди со вибрирачки кварцни кристали, кои се склони кон губење на синхронизацијата. Со децении, атомските часовници се користат во ГПС технологиите, истражувањето на вселената и меѓународното мерење на времето.
Сепак, атомските часовници се исто така чувствителни на губење на синхронизацијата. Електромагнетните пречки може да ги нарушат возбудените електрони и да влијаат на точноста на мерењето на времето.
Од друга страна, честичките во јадрото на атомот потешко се прекинуваат од електроните. Протоните и неутроните се цврсто поврзани заедно со силната нуклеарна сила – најсилната од сите основни сили. Брановите должини кои можат да предизвикаат нуклеарна транзиција осцилираат на повисоки фреквенции, овозможувајќи попрецизни мерења на времето.
Пред оваа студија, имаше неколку важни откритија во развојот на нуклеарни часовници. Првото откритие се случи во 1976 година.
Се покажа дека јадрото на ториумот има „уникатно ниска енергија“ и може да се возбуди со помош на вакуум ултравиолетова (VUV) ласерска светлина. До 2003 година, научниците мислеа дека изотопот ториум-229 би бил добар кандидат за нуклеарни часовници бидејќи на ториумот му е потребна помалку енергија за да го возбуди јадрото од повеќето други видови атоми.
„Нашата работа се надоврзува на тоа. Можевме да ја возбудиме нуклеарната транзиција и различните енергии на транзиција“, рече Џанг, додавајќи дека резултатите се околу милион пати попрецизни од претходните мерења.
Прецизноста и стабилноста на атомските часовници веќе им дадоа на научниците важни алатки за проучување на земјотреси, гравитациони полиња и простор-време. Тие полиња би можеле да добијат „огромно засилување“ благодарение на нуклеарните часовници, тврди Кочаровскаја.
Нуклеарните часовници не само што би биле попрецизни, туку и поедноставни и попреносливи бидејќи, за разлика од атомските часовници, тие не би барале услови со висок вакуум, екстремно ладење и моќна заштита од магнетни и електрични пречки.
Според Џанг, проучувањето на физиката може да биде револуционизирано со употреба на нуклеарни часовници заедно со атомски часовници. Следењето и споредувањето на односот на фреквенцијата на двата типа часовници со текот на времето може да им помогне на научниците да утврдат дали основните физички константи се навистина константни или се менуваат на нивоа кои претходно биле премногу мали за мерење.
Оваа техника на „спарен часовник“ би можела да го револуционизира проучувањето на темната материја, мистериозна супстанција која сочинува 80% од универзумот, но никогаш не била директно измерена.
Некои научници сугерираат дека темната материја е во интеракција со честички како што се електрони, кваркови и глуони, но во количини кои моментално не се откриваат.
„Сакаме да видиме дали темната материја може да комуницира со атомското јадро на малку поинаков начин во споредба со електронската орбита во атомот. физика“, рече Џанг.
Иако има многу работа да се направи пред нуклеарните часовници да ги надминат атомските часовници, овие наоди сугерираат дека таквото време не е далеку.
„Како што се развиваат подобри извори на УВ ласери и се решаваат некои од мистериите и триковите на нуклеарните часовници, очекувам дека наместо тоа ќе бидат изведени некои од експериментите што моментално ги спроведуваме во мојата лабораторија за тестирање на релативноста и пребарување на нова физика со атомски часовници. со нуклеарни часовници“, рече Шимон Колковиц, вонреден професор на Универзитетот во Калифорнија, Беркли.
Подготвено од М.Д.
About Author
