Пробивът на физиката приближава ядрения часовник до реалността
Регистрирайте се за бюлетина за научна теория на CNN. .
Представете часовник, който тича толкова стабилно, че не губи секунда, дори и след като се кандидатира за 1 милиард години. Учените вече са по -близки от всякога, за да осъзнаят това ниво на прецизност на времето, разкриха нови изследвания.
Такова устройство значително би надминало възможностите на атомните часовници, които определят обхвата на секундата чрез контролирани енергийни скокове в електроните на атомите и в момента са върхът на точността за измерване на времето. В атомните часовници сигнализира, които възбуждат атомите, които се колебаят с честота на милиарди пъти в секунда.
Наскоро изследователите разработиха техника, която може да повиши тази точност чрез задействане и измерване на трептенията в още по -сложна цел: ядро на атом. За този ядрен часовник учените използваха ултравиолетова светлина, за да възбудят ядрените частици в атом на торий-229, вграден в твърд кристал. След това те измерват честотата на енергийните импулси, засягащи ядрото - еквивалентът на махалото в обикновен часовник - чрез преброяване на вълните в UV сигнала, използвайки инструмент, наречен оптична честотна гребен.
Причиняването на енергийни скокове в ядрото изисква много по -висока честотна сигнал, отколкото е необходимо за атомните часовници. С повече вълнови цикли в секунда се очаква този подход да осигури по -точни измервания на времето.
Докато ядреният им часовник все още е в ход, след като разбраха, че може да трансформира не само поддържането на времето, но и изучаването на физиката, дори засягайки как учените изследват тъканта на Вселената. Прототипът все още не е толкова точен, колкото атомен часовник, но се очаква бъдещите версии да бъдат потенциално още по -прецизни и стабилни, според изследвания, публикувани на 4 септември в списанието Nature.
Сега, когато изследователите показват, че е възможно да се произвеждат и измерват тези сигнали, „има много неща, които можем да натиснем за по -нататъшно подобряване на точността“, казва съавторът на проучването Чункун Джан, аспирант в лабораторията на д -р Джун Йе в лабораторията на лабораторията на лабораторията на д -р Джун Йе в лабораторията на лабораторията на д -р Джун Йе в лабораторията на Джун Йе в лабораторията на Джун Йе в лабораторията на Джун Йе в лабораторията на Джун Йе в лабораторията на Джун Йе в лабораторията на Джун Йе в лабораторията на Джун Йе в лабораторията на Джун Йе в лабораторията на Джун Йе в лабораторията на Джун Йе JILA - Съвместен изследователски център, финансиран от Университета в Колорадо Боулдър и Националния институт за стандарти и технологии.
Например, Джан каза пред CNN, че корекциите могат да включват настройване на подравняването и честотата на лазерите, пингиращи ядрото.
„Тази работа наистина бележи зората на ядрен часовник“, казва д -р Олга Кочавская, отличен професор по физика в Тексаския университет A&M, който не е участвал в изследването.
През 2023 г. Кочавская и други изследователи тестваха ядра на скандий-45 атоми като възможни кандидати за ядрен часовник. По онова време тези атоми произвеждат най-здравия преход на енергия-и измерим импулс-виждан някога в ядро, но новите резултати от Thorium-229 генерираха по-силен сигнал и бяха по-стабилни, каза Kocharovskaya пред CNN в имейл.
„По -широкото значение е в увереността, която този документ осигурява в реалността на ядрения часовник“, каза тя. „Не оставя съмнения, че такъв часовник е осъществим и ще бъде построен скоро.“
Време след време
В атомните часовници електроните на атома са пингирани с електромагнитно излъчване при специфични честоти. Изблиците на енергия възбуждат електроните, изтласквайки ги в по -висока орбита около атома. Колебанията, които задействат преходите на електроните между състоянията, бележат времето, според НАСА.
Надеждността на атомните часовници е много по -голяма, отколкото при ежедневните часовници, които измерват секунди във вибрациите на кварцовите кристали, които са склонни да отпаднат от синхронизация. От десетилетия атомните часовници се използват в GPS технологиите, за проучване на космоса и за запазване на международното време.
Въпреки това, атомните часовници също са уязвими от загуба на синхронизация. Електромагнитните смущения могат да нарушат възбудените електрони и да повлияят на точността на времето за поддържане, каза Джан.
Частиците в ядрото на атома, от друга страна, са по -трудни за агитация от електроните. Протоните и неутроните са плътно свързани от силната ядрена сила - най -мощната от всички основни сили. Дължините на вълните, които могат да предизвикат преход на ядро, се колебаят при по -високи честоти, което позволява по -прецизни измервания на времето, съобщават изследователите.
Преди това проучване имаше няколко важни пробиви за развитието на ядрени часовници. Първият, през 1976 г., е откритието, че ториевото ядро е „уникално нискоенергийно“ и може да бъде изтласкано във възбудено състояние чрез използване на вакуум ултравиолет или VUV, лазерна светлина. До 2003 г. учените предлагаха, че тъй като ториумът изисква по-малко енергия, за да възбуди ядрото си, отколкото повечето други видове атоми, изотопният торий-229 ще бъде добър кандидат за ядрени часовници, според проучването.
През 2023 г. учените въвеждат метод за вграждане на торий-229 в кристали; Тази твърда система потиска сигналите от ядрен разпад, което прави желаните сигнали по -лесни за проследяване. По-рано тази година други изследователи измерват дължината на вълната на VUV светлина, необходима за възбуждане на ядрото в торий-229.
„Нашата работа се изгражда на всичкото отгоре“, каза Джан. „С нашия честотен гребен източник на светлина и този кристал успяхме да възбудим ядрения преход и различните енергии на преход.“ Резултатите им са били около 1 милион пъти по -прецизни от предишните измервания, добави Джан.
„Този документ е истинска обиколка“, казва д -р Шимон Колковиц, доцент и председател по физика в Калифорнийския университет, Бъркли.
„Качеството на данните и скоростта, с които те постигнаха забележителните резултати в този нов ръкопис, е наистина невероятно“, казва Колковиц, който не е участвал в изследването. „Той представлява основна стъпка напред в развитието на ядрени часовници, за които физиците работят от десетилетия.“
Революциониране на физиката
Точността и стабилността на атомните часовници вече предоставиха на учените важни инструменти за изучаване на земетресения, гравитационни полета и време за пространство. Тези полета биха могли да изпитат „основен тласък“ от ядрените часовници, каза Кочавская. Ядрените часовници биха били не само по -прецизни, но и по -опростени и по -преносими, защото за разлика от атомните часовници, те няма да изискват високи вакуумни условия, изключително охлаждане и мощно екраниране от магнитни и електрически смущения, каза тя.
Изследването на самата физика може да бъде революционирано от нас
