Измерение времени официально вступило в ядерную эпоху. Две независимые команды — одна в Вене (Австрия), другая в Пекине (Китай) — построили работающие прототипы ядерных часов на тории-229. Вместо того чтобы отслеживать изменения в электронной оболочке атома, как это делают нынешние атомные часы, ядерные версии используют лазер, настроенный на частоту, на которой ядро тория переключается между двумя энергетическими состояниями. Учёные полагают, что такой подход однажды сделает часы гораздо надёжнее любого существующего атомного хронометра.
Время идёт. Источник изображения — popsci.com
Для сравнения: современные атомные часы отсчитывают время с погрешностью в одну секунду за 300 миллионов лет. По оценкам учёных, более совершенные ядерные часы смогут довести этот показатель до миллиардов лет. Это открыло бы путь к изучению самых трудноизмеримых явлений во Вселенной — например, неуловимой тёмной материи. Китайские и австрийские часы описаны в паре исследований, опубликованных на этой неделе в журнале Nature.
«Главное преимущество новых ядерных часов в Вене в том, что при использовании атомных ядер вместо атомов принципиально достижима гораздо более высокая точность», — заявил соавтор исследования, профессор Венского технического университета Торстен Шумм.
Кристалл тория и лазерный луч. Источник изображения — popsci.com
Как работают ядерные часы
Мировая сеть атомных часов уже поражает воображение своей точностью. Именно она лежит в основе множества современных технологий — от GPS до интернет-связи. Атомные часы работают, настраивая лазер на точную частоту света, которая заставляет электрон атома перескакивать между двумя уровнями.
Ядерные часы, как подсказывает название, идут ещё глубже — они нацелены на переходы внутри ядра атома. Лазер фокусируется на колебаниях одного ядра, а не всего атома. Для тех, кто не слишком внимательно слушал на уроках химии: ядро в десятки тысяч раз меньше окружающего его атома.
Лука Тоскани де Коль (справа вверху) за работой над ядерными часами в венской лаборатории. Источник изображения — popsci.com
Чтобы вести счёт времени, в ядерных часах нужно удерживать лазер в резонансе с ядром, пока то переключается между состояниями. Этот процесс иногда в шутку называют «сжатием» ядра. Обычно для такого требуется колоссальная энергия, однако изотоп торий-229 — редкое исключение, поэтому обе команды, из Венского технического университета и Университета Цинхуа в Пекине, построили свои часы именно вокруг него.
«Идея проста: есть лазер и есть торий, — добавил Шумм. — Лазер меняет энергетическое состояние ядер тория, а ядра тория используются для стабилизации частоты лазера».
Ядерным часам ещё догонять атомные
Оба прототипа создавались много лет. Кристалл тория для них вырастили порознь, но примерно в одно время. Пока, по сообщениям, версия из Китая примерно в шесть раз стабильнее венской. Венский прототип, в свою очередь, стал первыми ядерными часами, которые стабилизируют сами себя так же, как это делают атомные. Шумм недавно рассказал South China Morning Post, что параллельная разработка породила «жёсткую, но дружескую мировую конкуренцию».
Ядерные часы, возможно, со временем далеко превзойдут своих атомных предшественников, но пока им до этого далеко. По оценкам исследователей, новый прототип может уходить примерно на секунду за 30 миллионов лет — это примерно в десять раз хуже цезиевых часов, которые сегодня задают официальную секунду.
Тем не менее исследователи рассчитывают, что более мощные и эффективные лазеры и более качественные кристаллы тория будут делать каждое новое поколение ядерных часов всё точнее, пока они окончательно не обойдут атомные. А кто доберётся до цели первым — пока вопрос открытый.
