Учени създават най-точния часовник в света. Това може да е повратна точка за човечеството

От пътя на слънцето по небето до пясъчните часовници, които отбелязват преминаването на пясъка между стъклените колби, хората отдавна се борят с това как най-добре да измерват времето. Тази година учените правят интересен напредък към конструирането на най-точния справочник за време на човечеството - ядрения часовник.

Ядрените часовници биха могли да подобрят нашите най-съвременни атомни часовници десетократно, което означава, че могат да намалят времето с една секунда на всеки 300 милиарда години.

В сравнение с мощността на оптичните атомни часовници, за които се смята, че се забавят само с една секунда на всеки 30 милиарда години, тази разлика не изглежда от значение. Въпреки това самото въздействие в реалния свят ще бъде огромно, включително подобрено откриване на земетресения и системи за сателитна навигация, пише в анализ на Popular Mechanics.

Освен че ще подобрят ежедневието ни, тези по-точни часовници биха могли да помогнат и за разкриването на фундаменталното функциониране на нашата Вселена.

Но ядреният часовник не е просто по-точен показател за времето. Той работи благодарение на определени процеси в ядрата на атомите, „а те са коренно различни от процесите в електронната обвивка“, които управляват всички атомни часовници, казва физикът Торстен Шум, доцент във Виенския технологичен университет.

Разположени дълбоко в сърцето на атома - където заемат пространство с размер, по-малък от една десетотрилионна част от атома - ядрата са по-малко чувствителни към промени в заобикалящата ги среда, като например блуждаещи електрически и магнитни полета.

От ядрена енергетика до квантови изчисления: Как ще се захранва ненаситният AI

Това прави ядрените часовници по-стабилни от съвременните атомни часовници, които разчитат на най-външния електрон на атома. И тъй като не е необходимо да се държат във вакуум или да се охлаждат, за да се сведе до минимум движението на атомите, ядрените часовници са потенциално много по-преносими.

Всички съвременни часовници разчитат на осцилатор - нещо, което се движи в редовни, повтарящи се цикли - и на начин за отчитане на тези цикли. След това е необходимо да се калибрира колко цикъла съответстват на една секунда (например две люлеения на махалото за дядовия часовник), източник на захранване, който да задвижва движението на часовника, и корпус, в който да се постави всичко това.

През 1949 г. учените от Националния институт по стандартизация и технологии на САЩ (NIST) разработват първите атомни часовници. В средата на 50-те години на миналия век на сцената се появява часовникът с цезий-133, който се използва и до днес за определяне на секундата. Тази технология представлява огромно подобрение в прецизността (колко повтаряемо е едно измерване) и точността (колко близо е измерването до истинската си стойност). Това се дължи на факта, че осцилаторът на този атомен часовник е електромагнитното излъчване, необходимо за преместването на най-външния електрон на атома на по-висока орбита или обвивка. За цезия това е микровълнов лъч с честота точно 9 192 631 770 цикъла в секунда.

Този по-голям брой цикли е от решаващо значение, казва д-р Джун Йе, физик от Университета на Колорадо и ръководител на един от екипите, които първи сглобяват всички компоненти на бъдещия ядрен часовник.

Да разгледаме две махала - едното се люлее един милиард пъти в секунда, а другото - един милион пъти в секунда. „Знаете, че това, което се люлее един милиард пъти, ще бъде по-точно - просто защото пропускането на един цикъл от 10⁹ цикъла е грешка една част от милиард спрямо една част от милион“, казва Йе пред Popular Mechanics.

Учени откриха кои скрити земни сили причиняват издигането на континентите

Свързването на осцилатора с атома също така улеснява калибрирането на часовниците. Енергията, която е необходима, за да премине атомът на даден елемент във възбудено състояние, е основна характеристика на този елемент.

Например електроните на всички стронциеви атоми - част от последното поколение оптични атомни часовници - извършват този преход, когато върху тях попаднат светлинни вълни с честота 429 трилиона цикъла в секунда. Това означава, че часовниците губят по една секунда на всеки 40 милиарда години - около три пъти повече от възрастта на Вселената.

Сега учените преследват още по-голяма (и по-неуловима) награда - ядрото. Подобно на електроните, ядрото на атома може да бъде прехвърлено в състояние на по-висока енергия.

„Но тъй като ядрото е малко, силите, които участват в него, са много, много силни, а енергийните мащаби са много по-високи“, казва Шум, който често си сътрудничи с Йе.

Необходими са лъчения с по-висока честота като гама лъчите, а те са хиляди до милиони пъти по-енергични от лъченията, от които се нуждаят електронните преходи. Макар че това означава по-прецизни часовници, лазери в този енергиен диапазон все още не съществуват.

Но през 1976 г. учените откриват, че изотопът на тория, 229-Th, има забележително ниска енергия на възбуждане в сравнение с други атомни ядра поради щастлива случайност на природата.

„Оттогава насам беше много дълъг път, за да я стесним до коефициент между нула и 10 електронволта“, а след това да се доближим до възможно най-точното измерване, казва Шум.

САЩ планират да утроят производството на ядрена енергия до 2050

Все пак технологията за производство на необходимото лъчение дори при тази „по-ниска“ енергия на ядреното възбуждане доскоро беше в зародиш.

„През последните няколко десетилетия има куп разработки на квантови инженерни технологии, които ни позволиха наистина да тласнем напред производителността“ на тези часовници, казва Йе. А през последните няколко години този лов се засили, като групи от цял свят определиха - с все по-голяма точност - енергията, необходима за задвижването на този ядрен преход.

През 2023 г. колаборация в CERN наблюдава този преход от другата страна на уравнението. Те изчакват 229-Ac (възбуденото състояние на целевия изотоп на тория) да се разпадне до 229-Th и измерват енергията на излъчения в резултат на това фотон (8,338 eV). През следващата година учени от Германия, Австрия и Съединените щати уточняват това число още повече. Те използват широколентови лазери, за да предизвикат директно това възбуждане в 229-Th атоми, вградени в кристал, и наблюдават последващото светене, когато ядрата се отпускат обратно до основното си състояние.

„Работата на групата от CERN беше много важна за нашите изследвания. Тя ограничи енергията на ядрения преход и потвърди, че вграждането на ториеви атоми в кристали гарантира откриването на ясен сигнал“, казва пред Popular Mechanics Ерик Хъдсън, професор в Калифорнийския университет в Лос Анджелис. Неговият екип за първи път предлага да се търси преходът на тория с помощта на кристали.

Въоръжени с тези изчисления, Йе и неговите сътрудници след това измерват това число с точност един милион пъти по-висока от предишната най-добра цифра, като използват оптичен честотен гребен - многоцветен лазер, който позволява на учените да обхождат целевия диапазон от потенциални честоти с изключително висока разделителна способност.

И така, кога можем да очакваме да имаме ядрен часовник в джобовете си? Няма да е много скоро, казва Йе.

Той прогнозира, че през следващите пет години ще има много разработки в посока на по-мощни и по-прецизни лазери и друга инфраструктура, необходима за конструирането на самостоятелен ядрен часовник.

„Но сега не мога да ви кажа в кой ден ще има преносима система на телефона ви, която ще се захранва от ядрен часовник. Това е визията, но вероятно ще отнеме известно време.“