Почему ученые строят ядерные часы? Потому что атомные часы не идеальны

Задача создания часов, которые точно сохраняют время, совершенно не похожа на часовой механизм. Обычные часы помогают нам достаточно хорошо справляться с повседневными практическими задачами, но научные исследования и технологии, основанные на чувствительных измерениях, требуют наличия часов, способных измерять ход времени с предельной точностью. Таким образом, ученые изобрели атомные часы - и, хотя они более точны во времени, чем обычные системы, все еще есть значительные возможности для улучшения. Теперь ученые переходят из атомного мира в ядерный. Новое исследование опубликовано в Природа показывает, что немецкие физики разработали часы, способные терять менее одной десятой секунды каждые 20 миллиардов лет. Это - в зависимости от того, как вы смотрите на это - в 10 раз лучше, чем современные атомные технологии

Но прежде чем мы назовем атомные часы устаревшими, давайте рассмотрим, чем они отличаются от маятниковых предков.

Каждые часы используют резонатор для отслеживания времени. Резонатор - это механизм, который ради упрощения «тикает» на регулярной основе. Старые часы использовали маятник и шестерни в качестве резонатора. Цифровые часы используют колебания на линии электропередачи или кварцевого кристалла в качестве резонатора. Атомные часы продвигают эту идею на несколько шагов вперед, используя резонансные частоты самих атомов в качестве резонатора. В этой системе резонатор регулируется электромагнитным излучением, испускаемым квантовым переходом атома. Другими словами, атомные часы отслеживают время, измеряя энергетические изменения в атомной частице.

Для некоторых элементов и их изотопов это происходит с постоянной частотой. Например, цезий-133 колеблется ровно 9 192 631 770 циклов в секунду. Вот почему они были использованы для создания первых атомных часов в Национальной физической лаборатории в Великобритании в 1955 году.

С тех пор ряд технологических достижений привел к более точным атомным часам - включая лазерное охлаждение и захват атомов, более точную лазерную спектроскопию и выявление других изотопных элементов, которые демонстрируют еще более согласованные резонансные частоты. Текущий рекордсмен для наиболее точных показаний атомных часов на ионах иттербия.

Причина, по которой атомные часы так важны, связана с тем, что часы по-разному измеряют время на разных высотах. Чем дальше часы от основного источника гравитации, тем быстрее проходит время (т.е. часы будут работать на горе Эверест быстрее, чем на уровне моря). Разница, по-видимому, незначительна, но может увеличиваться с течением времени.

В наши дни большая часть наших технологий работает как глобальные приложения, такие как GPS. Чтобы гарантировать, что они работают в одно и то же время, независимо от того, где кто-то находится, они должны быть привязаны непосредственно к точным часам. Нет лучшего способа обеспечить это, чем использовать атомные часы в качестве стандарта. В последнем исследовании немецкая исследовательская группа обрисовывает идею прямого измерения колебаний самого атомного ядра элемента (в отличие от электронов, окружающих ядро). Атомные часы, основанные на этой конструкции, могут избежать влияния внешних сил. Исследовательская группа определяет состояние возбуждения в изотопе тория, Th-229m, которое могло бы работать, и иллюстрирует экспериментальные результаты, подтверждающие это понятие.

Есть только одна проблема: Th-229m не возникает естественным путем. Хотя результаты нового исследования, тем не менее, впечатляют, неясно, как именно исследователи могут собрать достаточно Th-229 м, чтобы построить и поддерживать ядерные часы. Исследователи получили Th-229m в этом случае, используя уран-233 в качестве источника. Это не простой процесс.

Если ученые поймут, как решить эту маленькую проблему и получить устойчивое количество Th-229 млн, мы рассмотрим новое поколение атомных часов, которые, несомненно, будут играть важную роль, поскольку мы создаем все больше и больше технологий, охватывающих весь мир и служит людям во всех уголках мира.