История приборов для измерения времени — это путь от простых солнечных часов к невероятно точным атомным часам. Каждый новый этап развития был связан со стремлением к большей точности. Совсем недавно научное сообщество стало свидетелем крупного прорыва: исследователи создали первый прототип ядерных часов. Это достижение открывает новую главу не только в хронометрии, но и в фундаментальной физике, обещая перевернуть наши представления о точности измерений.
Над созданием ядерных часов учёные бились десятилетиями. И вот, команде из Объединённого института астрофизики (JILA) — совместной лаборатории Национального института стандартов и технологий (NIST) — в сотрудничестве со специалистами американской лазерной компании IMRA и физиками из Центра квантовой науки и технологий в Вене удалось продемонстрировать работающий прототип. Это событие знаменует начало новой эры.
«Попробуйте представить часы, которые не собьются ни на секунду даже за миллиарды лет, — говорит Джун Е, физик из NIST и JILA. — Мы пока не достигли такого уровня, но наше исследование — это гигантский шаг вперёд на пути к подобной точности».
В статье, опубликованной в журнале Nature, учёные отмечают, что текущий прототип пока не превосходит по точности лучшие атомные часы. Однако главная цель была иной — доказать саму возможность создания таких часов на основе тория. «С помощью этого первого прототипа мы показали, что торий можно использовать в качестве основы для астрономически точных часов», — заявил Торстен Шрамм, физик из Венского технического университета.
Эволюция точности: от атомных к ядерным часам
Принцип работы традиционных часов основан на колебаниях кварцевого кристалла. Атомные часы, ставшие золотым стандартом точности, используют иной подход: лазерный луч заставляет электроны в атомах переходить между энергетическими уровнями, и эти переходы служат сверхстабильным метрономом.
Несмотря на свою феноменальную точность (отставание на секунду за миллионы лет), атомные часы имеют ограничения. Их работа зависит от частоты лазера и требует периодической калибровки. Для некоторых сверхточных измерений этого недостаточно. Ядерные часы призваны заполнить эту нишу. Их потенциальная точность невероятна — отставание всего на одну секунду за миллиарды лет. «Но помимо мощного лазера, — объясняет Шрамм, — необходима квантовая система, которая будет исключительно избирательно реагировать на строго определённые лазерные частоты».
Обратите внимание: По словам Стивена Хокинга, внеземные цивилизации и путешествия во времени более вероятны, чем существование Бога.
Сердце часов: почему именно атомное ядро?
Идея использовать для измерения времени не электроны, а само атомное ядро, давно волнует физиков. Ядра меньше и гораздо стабильнее, они почти не подвержены влиянию внешних магнитных полей, что делает их идеальными кандидатами. Основная сложность заключалась в огромной энергии, необходимой для переключения ядра между состояниями. Однако ядро изотопа тория-229 оказалось уникальным исключением — его можно «переключать» с помощью лазерного излучения. Ключом к успеху стало точное определение разницы энергий между двумя ядерными состояниями.
В апреле 2024 года группа профессора Шрамма совершила прорыв, измерив эту энергию с беспрецедентной точностью. Это открыло путь к управлению ядром тория. В эксперименте учёные соединили сверхточные стронциевые атомные часы JILA с кристаллом, содержащим ядра тория-229. Им удалось решить сложную техническую задачу: преобразовать инфракрасный свет лазера в ультрафиолетовый, необходимый для воздействия на ядро. «Нам понадобился аналог механической коробки передач, которая преобразует медленные обороты в быстрые», — образно поясняет Шрамм.
Для этого исследователи использовали серию ультракоротких инфракрасных лазерных импульсов, создав так называемую «частотную гребёнку». При взаимодействии с газообразным ксеноном эта гребёнка генерировала ультрафиолетовый свет, который и направлялся на целевой кристалл — «сердце эксперимента».
«Мы достигли точности на уровне килогерц, что в миллион раз лучше предыдущих результатов, — подводит итог Торстен Шрамм. — Мы надеемся превзойти лучшие атомные часы в течение следующих 2–3 лет. Остальное — вопрос технологической доработки, и здесь нет непреодолимых препятствий».
В перспективе ядерные часы откроют возможности для измерения других физических величин с невиданной доселе точностью. Это позволит глубже изучать фундаментальные законы природы, например, проверять, являются ли мировые константы (такие как постоянная тонкой структуры) действительно неизменными во времени и пространстве.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: От солнечных часов до атомных часов, приборы для измерения времени продолжают развиваться в направлении повышения точности.