Будущее за ядерными часами. Как можно использовать ядерные часы?
Измерять время люди научились тысячи лет назад. Легко можно вспомнить изобретенные ими песчаные, солнечные, водяные часы. Позже на смену им пришли механические и атомные. В быту можно обойтись любым из этих устройств, но ученым, работающим в самых передовых областях исследований, нужно определять течение времени максимально верно. Не так давно перед ними замаячила перспектива заполучить в свое распоряжение «хронометр», который будет точнее даже атомного, дающего погрешность всего в секунду на несколько миллиардов лет. Это ядерные часы.
Чтобы получить часы современного типа, нужно использовать нечто такое, что ходит взад и вперед с постоянной скоростью. В науке такая система называется осциллятором, и её ключевой характеристикой считается частота, с которой совершаются колебания. Самыми точными и надежными осцилляторами являются световые волны, состоящие из электромагнитных полей, «вибрирующих» с известной частотой. Чтобы понять, как они помогают создать атомные часы, нужно ненадолго погрузиться в квантовую механику.
Поляризация электромагнитных волн
Атом состоит из ядра, окруженного электронами. Местоположение последних определяется количеством имеющейся у них энергии. Здесь будет уместно мысленно вообразить лесенку субатомного масштаба. Чтобы электрон поднялся или спустился на одну ступеньку, он должен либо получить, либо потерять определенное количество энергии. При этом свет либо поглощается, либо испускается - на строго определенной частоте, так как квантовая механика постулирует, что частота световых волн и энергия напрямую связаны. Чем ниже одна, тем меньше другая, и наоборот.
Таким образом, при создании атомных часов ученые берут группу идентичных атомов, например, цезия-133, и воздействуют на них лазером. Луч последнего имеет заданную частоту, а следовательно и энергию, которая идеально подходит для перемещения всего одного электрона каждого атома на следующую ступеньку. Перескочившие частички в конечном счете теряют лишнюю энергию и опускаются на прежнее место, а это означает излучение света. Подсчитывая частоту этих невероятно точных колебаний, ученые отмечают течение времени.
Атомные часы разрабатываются в течение десятков лет. Сегодня они активно используются в самых передовых отраслях человеческой деятельности, в том числе в космонавтике. Но лесенка электронов вокруг атома – не единственное, что может выступить в интересующем нас качестве. Такая же структура, только меньшего размера, имеется в атомном ядре, которое, подобно электронам, способно перепрыгивать с одного уровня на другой при поглощении или выделении определенного количества энергии. Ядерные часы имеют очевидные преимущества по сравнению с атомными. Хотя бы потому, что ступеньки последних на некоторых энергетических уровнях не всегда постоянны. Их положение может изменяться на ничтожно малую величину при внешних возмущениях в электрическом или магнитном поле. А если часы имеют размер в один атом, то даже самые крошечные сдвиги могут сказаться на способности следить за временем.
Планетарная модель атома Резерфорда
Тем временем, на ядро атома внешние возмущения почти не влияют, так как его протоны и нейтроны очень тесно связаны. Но тут есть другая загвоздка, а именно гораздо меньший масштаб, в котором придется работать наблюдателю. Это, в свою очередь, означает приложение энергии, количество которой в миллионы раз больше, чем нужно для функционирования атомных часов. Вспомним, что данный параметр зависит от частоты электромагнитного излучения. Обычное ядро нужно обрабатывать не микроволнами, как в традиционных цезиевых атомных часах, и не оптическими лазерами, как в более современных хронометрах, использующих другие химические элементы. Здесь нужен лазер, испускающий гамма-лучи, отличающиеся очень высокой частотой и наполненностью энергией. При нынешнем уровне развития технологий это попросту невозможно.
Обойти ограничения может позволить известная науке лазейка, которую предоставляет радиоактивный элемент торий-229, но тут есть небольшая проблема. Ученые знают, что его ядро возбуждается одним из видов ультрафиолетового излучения, но никто из них не может определить точное количество энергии, требующееся для этого. Серьезный прорыв в понимании данного вопроса произошел в 2023 году, когда группа исследователей из ЦЕРН решила применить нетрадиционный подход к своим экспериментам. Вместо того чтобы для выяснения неизвестных параметров обработать ядра тория лазером на различных частотах, они задействовали другой радиоактивный элемент – актиний-229. Тот превращается в торий-229, причем в возбужденный. Дождавшись окончания этого состояния у химического элемента, исследователи измерили частоту испускавшегося света. Теоретически это должно было показать параметры работы лазера в ядерных часах, использующих обычный торий.
Эксперименты оказались недостаточно точными, и выделить идеальную частоту для запуска первых в мире ядерных часов не удалось, но ученые сузили диапазон поисков для последующих исследований. Это означает, что уже сейчас можно начать просчитывать варианты потенциального применения данного хронометра. Это может быть усовершенствованная GPS и прочие виды высокоточного мониторинга. Не исключено, что ядерные часы позволят отслеживать незначительные движения тектонических плит, а это прямой путь к прогнозированию землетрясений и извержений вулканов. Астрономы могли бы продвинуться в поисках темной материи. Ну и, наконец, весьма интригующе выглядит перспектива проверки постоянства законов физики. Так, например, скорость света кажется сегодня константой, однако некоторые физики предполагают, что она меняется в космических временных масштабах, пусть и очень незначительно. В общем, будем следить за развитием событий. Технология кажется весьма заманчивой.
Спасибо за внимание! Если вам понравилась статья, то можете поддержать ее "плюсиком" или подписаться на этот канал. Также хотелось бы упомянуть, что у нас есть свой Телеграм канал. Там мы постоянно публикуем интересные посты о космосе и астрономии.
Мы искренне ценим каждого нашего читателя. Если вы захотите поддержать нас материально (по кнопке ниже), то ваше имя/никнейм будут указаны в конце следующей публикации. Это наш маленький способ сказать "спасибо" за вашу доброту и поддержку!