От солнечных часов до атомных часов, приборы для измерения времени продолжают развиваться в направлении повышения точности. Недавно был совершен значительный прорыв в создании первых ядерных часов — прототипа, который обещает навсегда изменить не только сферу измерения времени, но и наше понимание физики.
На протяжении десятилетий исследователи по всему миру пытались создать ядерные часы, которые бы измеряли время с беспрецедентной точностью. Недавно исследователи из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA), совместного института Национального института стандартов и технологий (NIST), в сотрудничестве с учеными из американской лазерной компании IMRA и физиками из Венского центра квантовой науки и технологий представили самый первый прототип ядерных часов.
С помощью этой системы ученые заложили основу для новой эры в измерении времени. «Представьте себе наручные часы, которые не теряют ни секунды даже спустя миллиарды лет», — говорит Цзюнь Йе, физик из NIST и JILA. «Мы еще не дошли до этого, но это исследование приближает нас к такому уровню точности», — добавил он.
В своей статье, опубликованной в журнале Nature, ученые отмечают, что эти часы пока не точнее атомной модели. Однако это не главная цель. Это первый шаг на пути перехода к торию. Физик Торстен Штрумм из Венского технического университета отметил в пресс-релизе: «С помощью этого первого прототипа мы продемонстрировали, что торий можно использовать в качестве хронометра для очень высокоточных измерений».
От атомных часов к ядерным
В обычных часах для измерения времени используется кварцевый генератор, который совершает колебания кристаллов на определенных частотах. Атомные часы, с другой стороны, используют колебания лазерного луча, чтобы заставить электроны, вращающиеся вокруг ядер атомов, переходить с одного энергетического уровня на другой.
Хотя атомные часы очень точны, они ограничены частотой используемого лазера и требуют перенастройки с течением времени. Это делает их непригодными для измерений с высокой степенью риска. Ядерные часы, с другой стороны, могут заполнить этот пробел. Если атомные часы теряют одну секунду за миллионы лет, то ядерные — только одну секунду за миллиарды лет. Однако, как объяснил Штрумм, «в дополнение к лазеру вам нужна квантовая система, которая чрезвычайно избирательно реагирует на определенную частоту лазера».
Ключ — атомные ядра
На протяжении десятилетий идея использования атомного ядра для повышения точности часов восхищала и занимала ведущих физиков. Будучи меньше атома, ядро меньше реагирует на внешние магнитные поля. Однако проблема заключается в энергии, необходимой для переключения ядра между двумя состояниями. Однако ядра тория являются исключением, и их можно переключать с помощью лазера. Главное — знать разницу между двумя состояниями.
В апреле профессор Штрумм и его команда сделали большой шаг вперед, точно определив эту разницу в энергии, что позволило целенаправленно переводить ядра тория. Благодаря повышению точности можно изменять энергетический уровень ядра тория 229 так же, как и для электронов.
В одном из экспериментов ученые соединили стронциевые атомные часы JILA с кристаллом, содержащим ядра тория. Им удалось преобразовать 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», — объясняет Штрумм.
Они использовали ультракороткие инфракрасные лазерные импульсы различной частоты, создавая своего рода частотную гребенку. Когда эта гребенка попадает в газ ксенон, атомы создают ультрафиолетовое свечение, которое затем направляется на кристалл, «центральный элемент исследования», говорят ученые.
«Мы достигли килогерцовой точности, что в миллион раз лучше, чем в предыдущих тестах. Мы надеемся превзойти лучшие атомные часы в течение 2-3 лет», — сказал Штрумм. «Все, что остается, — это технические разработки, и нет никаких серьезных препятствий, о которых стоило бы беспокоиться», — заключил он.
В будущем эта технология позволит с большей точностью измерять и другие физические величины. Например, такая предельная точность может быть использована для изучения фундаментальных законов природы и определения, в частности, того, являются ли определенные физические константы абсолютно постоянными.
