От солнечных часов до атомных часов, инструменты измерения времени продолжают развиваться в направлении все большей точности. Недавно был достигнут крупный прорыв в создании первых ядерных часов — прототипа, который обещает навсегда изменить не только область измерения времени, но и наше понимание физики.
На протяжении десятилетий исследователи по всему миру пытались создать ядерные часы, которые могли бы измерять время с беспрецедентной точностью. Недавно исследователи из Объединенного института астрофизики (JILA), совместной лаборатории Национального института стандартов и технологий (NIST), в сотрудничестве с учеными американской лазерной компании IMRA и физиками Центра квантовой науки и технологий в Вене, продемонстрировал первый прототип ядерных часов.
С помощью этой системы ученые заложили основу новой эры измерения времени. «Представьте себе, что у вас есть часы, которые не замедляют ход ни на секунду даже спустя миллиарды лет», — сказал Джун Е, физик из NIST и JILA. «Мы еще не достигли этого уровня, но это исследование приближает нас к этому уровню» точность", - добавил он.
В своей статье, опубликованной в журнале Ученые отмечают, что эти часы пока не точнее атомных моделей. Однако это не главная цель. Это первый шаг на пути перехода к торию. Торстен Струмм, физик Венского технического университета, заявил в пресс-релизе: «С помощью этого первого прототипа мы продемонстрировали, что торий можно использовать в качестве астрономических часов, производя очень высокоточные измерения. Измерения».
От атомных часов к ядерным
Традиционные часы измеряют время с помощью кварцевого генератора, который вибрирует кристалл с определенной частотой. Атомные часы, с другой стороны, используют колебания лазерного луча, чтобы заставить электроны, вращающиеся вокруг ядра, перепрыгивать с одного энергетического уровня на другой.
Хотя атомные часы очень точны, они ограничены частотой используемого лазера, и их необходимо сбрасывать с течением времени. Это делает их непригодными для измерений высокого риска. С другой стороны, ядерные часы могли бы восполнить этот пробел.
Обратите внимание: По словам Стивена Хокинга, внеземные цивилизации и путешествия во времени более вероятны, чем существование Бога.
Атомные часы отстают на одну секунду за миллионы лет, тогда как ядерные часы отстают только на одну секунду за миллиарды лет. Однако, как объясняет Страм: «Помимо лазера вам также нужна квантовая система, которая крайне избирательно реагирует на определенные лазерные частоты».Ключ — атомные ядра
Идея использования атомных ядер для повышения точности часов на протяжении десятилетий увлекала и занимала внимание ведущих физиков. Поскольку ядра меньше атомов, они меньше реагируют на внешние магнитные поля. Проблема, однако, заключается в энергии, необходимой ядру для переключения между двумя состояниями. Однако ядра тория являются исключением и могут переключаться с помощью лазеров. Главное – знать разницу между этими двумя ситуациями.
В апреле этого года профессор Страм и его команда сделали большой шаг вперед, определив эту разницу в энергии, позволяющую осуществлять направленный перенос ядер тория. Благодаря повышенной точности можно изменять энергетические уровни ядра тория-229 так же, как и электронов.
В одном эксперименте ученые подключили стронциевые атомные часы JILA к кристаллу, содержащему ядро тория. Им удалось преобразовать инфракрасный свет в ультрафиолетовый свет. «Нам нужен был способ преобразования инфракрасных частот в ультрафиолетовые, подобно тому, как механическая коробка передач использует соответствующие шестерни для преобразования медленных вращений в быстрые», — объясняет Страмм.
Используя ультракороткие инфракрасные лазерные импульсы разных частот, они создали частотную гребенку. Когда эта гребенка попадает на газообразный ксенон, атомы производят ультрафиолетовый свет, который затем направляется на кристалл, который является «сердцем исследования», говорят ученые.
«Мы достигли килогерцовой точности, которая в миллион раз лучше, чем предыдущие тесты. Мы надеемся превзойти лучшие атомные часы через 2-3 года», — сказал Страм. «Остальное — это развитие технологий, и здесь нет больших препятствий для беспокойства», — заключил он.
В будущем эта технология позволит точнее измерять и другие физические величины. Эту чрезвычайно высокую точность можно использовать, например, для изучения фундаментальных законов природы, в частности для определения того, являются ли определенные физические константы абсолютно постоянными.
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.