Світова наукова спільнота офіційно переступила поріг нової ери у хронометрії. Дві незалежні дослідницькі групи — з Віденського технічного університету (Австрія) та Університету Цінхуа в Пекіні (Китай) — презентували перші діючі прототипи ядерних годинників. Результати їхніх фундаментальних праць були одночасно опубліковані в авторитетному науковому журналі Nature.
Сучасні атомні хронометри, на яких тримається робота супутникової навігації GPS та глобального інтернету, демонструють вражаючу точність — їхня похибка становить 1 секунду на 300 млн років. Проте ядерні аналоги здатні розсунути ці межі до мільярдів років, відкривши шлях до вивчення найменш зрозумілих явищ Всесвіту, зокрема темної матерії.
Чим ядерний годинник відрізняється від атомного?
Аби зрозуміти сутність прориву, варто пригадати шкільний курс фізики. Звичайний атомний годинник працює завдяки лазеру, налаштованому на чітку частоту світла: вона змушує електрон стрибати між двома енергетичними рівнями на орбіті атома.
Ядерний годинник занурюється набагато глибше — в саме серце матерії. Атомне ядро приблизно в десятки тисяч разів менше за весь атом разом із його електронною хмарою. Далі лазер фокусується безпосередньо на коливаннях ядра, фіксуючи його перехід між енергетичними станами. Оскільки ядро сховане глибоко всередині атома, воно набагато менше піддається впливу зовнішніх завад та електромагнітних полів, що теоретично робить годинник значно точнішим.
Чому саме торій-229?
Зазвичай, аби змінити стан атомного ядра, потрібні гігантські обсяги енергії та жорстке випромінювання. Проте ізотоп торій-229 є унікальним природним винятком. Його ядро можна «стискати» та переводити між енергетичними рівнями за допомогою порівняно доступних оптичних лазерів.
Співавтор дослідження, професор Віденського технічного університету Торстен Шумм, пояснює концепцію простими словами: «Основна ідея проста: у вас є лазер і торій. Лазер змінює енергетичний стан ядер торію, а самі ядра використовуються для зворотного зв’язку — вони стабілізують частоту лазера».
В основі обох розробок лежить кристал торію. Цей матеріал науковці вирощували паралельно, що призвело до «запеклої, але дружньої глобальної конкуренції» між австрійськими та китайськими фізиками.
Поточний стан і перспективи
Незважаючи на колосальний потенціал, нові ядерні годинники поки що знаходяться на етапі «ранніх прототипів». Поточні випробування показують, що китайська версія приблизно в шість разів стабільніша за австрійську. Водночас віденський прилад першим опублікував систему стабілізації, аналогічну тій, що застосовується в класичних атомних годинниках.
Наразі розроблені екземпляри накопичують похибку в 1 секунду приблизно за 30 млн років. Це приблизно в 10 разів гірше за сучасні цезієві стандарти, які офіційно задають еталон секунди на Землі.
Втім, це лише перший крок. Науковці переконані: у міру вдосконалення якості кристалів торію та підвищення потужності лазерів кожне наступне покоління ядерних хронометрів ставатиме точнішим, поки остаточно не залишить атомні годинники в минулому.
Раніше ми розповідали про те, як час у ранньому Всесвіті рухався у 5 разів повільніше, ніж зараз.
За матеріалами Popular Science
