Такав уређај би далеко надмашио могућности атомских сатова, који дефинишу трајање једне секунде кроз контролисане енергетске скокове у електронима атома и тренутно представљају врхунац прецизности у мерењу времена. У атомским сатовима, сигнали који побуђују атоме осцилују на фреквенцији од милијарди пута у секунди.
Научници су недавно развили технику која би могла подићи ову прецизност, изазивајући и мерећи осцилације у још сложенијем циљу: језгру атома. За овај атомски сат, научници су користили ултраљубичасто светло како би побудили нуклеарне честице у атому торијума-229 уграђеном у чврсту кристалну структуру. Затим су мерили фреквенцију енергетских импулса који утичу на језгро, еквивалент клатну у обичном сату, бројећи таласе у УВ сигналу помоћу алата званог "чешаљ оптичке фреквенције", преноси Си-Ен-Ен.
Изазивање енергетских скокова у језгру захтева сигнал знатно веће фреквенције него код атомских сатова. Са више циклуса таласа у секунди, овај приступ би требало да омогући прецизније мерење времена.
И док је нуклеарни сат још у развоју, једном када буде реализован, могао би трансформисати не само мерење времена, већ и проучавање физике, па чак и утицати на начин на који научници истражују структуру свемира. Прототип је већ једнако прецизан као атомски сат, а очекује се да будуће верзије буду још прецизније и стабилније, наводи се у истраживању објављеном у часопису "Нејчр".
Сада када су истраживачи показали да је могуће произвести и мерити ове сигнале, "постоји много ствари које можемо унапредити како бисмо додатно повећали тачност", рекао је главни аутор студије Чуанкун Жанг, студент постдипломских студија у ЈИЛА, заједничком истраживачком центру који финансирају Универзитет Колорадо у Болдеру и Национални институт за стандарде и технологију.
На пример, Жанг је рекао да прилагођавања би могла укључивати подешавање усклађености и фреквенције ласера који побуђују језгро.
“Овај рад заиста означава почетак нуклеарног сата”, рекла је др Олга Кочаровскаја, истакнути професор физике на Универзитету Тексас А&М, која није била укључена у истраживање.
У 2023. години, Кочаровскаја и други истраживачи тестирали су језгра атома скандијума-45 као могуће кандидате за нуклеарни сат. Тада су ти атоми произвели најснажнији енергетски прелаз, и мерљив импулс, икада виђен у језгру, али нови резултати из торијума-229 генерисали су снажнији сигнал и били стабилнији, рекла је Кочаровскаја за Си-Ен-Ен.
„Шире значење је у поверењу које овај рад даје реалности нуклеарног сата“, рекла је она. „Не оставља сумње да је такав сат изводљив и да ће ускоро бити направљен.“
Поузданост атомских сатова далеко већа него код обичних
У атомским сатовима, електрони атома бивају побуђени електромагнетним зрачењем на одређеним фреквенцијама. Енергетски импулси побуђују електроне, померајући их у вишу орбиту око атома. Осцилације које покрећу прелаз електрона између стања означавају проток времена, наводи НАСА.
Поузданост атомских сатова далеко је већа него код свакодневних сатова који мере секунде кроз вибрације кварцних кристала, који су склони губитку синхронизације. Деценијама се атомски сатови користе у ГПС технологијама, за истраживање свемира и одржавање међународног времена.
Међутим, атомски сатови су такође подложни губитку синхронизације. Електромагнетни поремећаји могу ометати побуђене електроне и утицати на прецизност мерења времена, рекао је Жанг.
Пре овог истраживања, постигнути су значајни кораци у развоју нуклеарних сатова. Први, 1976. године, био је откриће да језгро торијума има „јединствено ниску енергију“ и да се може побудити помоћу вакуумског ултраљубичастог (ВУВ) ласерског светла. До 2003. године, научници су предлагали да би торијум, јер захтева мање енергије за побуђивање језгра него већина других типова атома, могао бити добар кандидат за нуклеарне сатове, према студији.
У 2023. години, научници су развили методу за уградњу торијума-229 у кристале; овај чврст систем супримирао је сигнале нуклеарне дезинтеграције, чинећи жељене сигнале лакшим за праћење. Раније ове године, други истраживачи су измерили таласну дужину светла потребну за побуђивање језгра торијума-229.
„Наш рад се надовезује на то“, рекао је Жанг. „Уз наш извор светлости са фреквентним чешљем и овај кристал, успели смо да побудимо нуклеарни прелаз и различите прелазне енергије.“ Њихови резултати су били приближно милион пута прецизнији од претходних мерења, додао је Жанг.
„Ова студија је прави подвиг“, рекао је др Шимон Колковиц, ванредни професор и шеф катедре за физику на Универзитету Калифорније, Беркли.
„Квалитет података и брзина којом су постигли запањујуће резултате у овом новом рукопису заиста су невероватни“, рекао је Колковиц, који није учествовао у истраживању. „Ово представља велики корак напред у развоју нуклеарних сатова, на којима физичари раде деценијама.“
Револуција у физици
Прецизност и стабилност атомских сатова већ су омогућиле научницима важне алате за проучавање земљотреса, гравитационих поља и простор-времена. Ове области би могле доживети „велики напредак“ захваљујући нуклеарним сатовима, рекла је Кочаровскаја. Нуклеарни сатови би били не само прецизнији, већ и једноставнији и преносивији, јер за разлику од атомских сатова, не би захтевали високе вакуумске услове, екстремно хлађење и снажно заштиту од магнетних и електричних сметњи, додала је.
Сама студија физике могла би бити револуционисана употребом нуклеарних сатова заједно са атомским сатовима, према Жангу. Праћење и поређење односа фреквенција између две врсте сатова током времена могло би помоћи научницима да утврде да ли су основне физичке константе заиста константне или се мењају на нивоима који су раније били превише минијатурни да би се мерили, рекао је Жанг.
Ова техника упаривања сатова могла би бити револуционарна за проучавање тамне материје, мистериозне супстанце која чини 80% свемира, али никада није директно измерена, додао је.
Неки научници су дали хипотезу да тамна материја ступа у интеракцију са честицама као што су електрони, кваркови и глуони, али у количинама које су тренутно недетектабилне.
„Желимо да видимо да ли тамна материја може на неки начин интераговати са језгром атома на другачији начин у поређењу са орбитом електрона у атому“, рекао је |ханг. „Ако се однос фреквенција прелаза нуклеарног сата и атомског сата мења током времена, то би био показатељ нове физике.“
Иако има још много напретка пре него што нуклеарни сатови надмаше перформансе атомских сатова, или их замене, ова открића наговештавају да такво време није далеко, рекао је Колковиц.
„Како се развијају бољи извори УВ ласера и како се открију неки од трикова нуклеарних сатова, очекујем да ће на крају нека од врста експеримената које тренутно радимо у мојој лабораторији за тестирање релативности и тражење нове физике са атомским сатовима уместо тога бити изведена са нуклеарним сатовима“, рекао је Колковиц.
Погледајте и: