Revolucija u fizici: Nuklearni sat bi mogao postati stvarnost, a to bi promijenilo sve

Zamislite sat koji otkucava tako ravnomjerno da ne gubi ni sekunde, čak ni nakon što je radio milijardu godina. Naučnici su sada bliže nego ikad spoznaji te razine preciznosti mjerenja vremena, pokazalo je novo istraživanje.

Takav bi uređaj uvelike nadmašio mogućnosti atomskih satova, koji definiraju sekunde kroz kontrolirane skokove energije u elektronima atoma i trenutno su vrhunac točnosti u mjerenju vremena. U atomskim satovima, signali koji pobuđuju atome osciliraju na frekvenciji od milijardi puta u sekundi, piše CNN.

Istraživači su nedavno razvili tehniku koja bi mogla povećati ovu točnost pokretanjem i mjerenjem oscilacija u još složenijoj meti - jezgri atoma. Naučnici su koristili ultraljubičasto svjetlo za pobuđivanje nuklearnih čestica u atomu torija-229 ugrađenom u čvrsti kristal. Zatim su izmjerili frekvenciju energetskih impulsa koji utječu na jezgru - što je ekvivalent njihalu u običnom satu - brojeći valove u UV signalu pomoću alata koji se zove optički frekvencijski češalj.

Izazivanje energetskih skokova u jezgri zahtijeva mnogo višu frekvenciju signala nego što je to potrebno za atomske satove. S više valnih ciklusa u sekundi, očekuje se da će ovaj pristup pružiti točnija mjerenja vremena.

Otkriće koje bi moglo promijeniti sve

Iako je njihov nuklearni sat još uvijek u razvoju, mogao bi transformirati ne samo mjerenje vremena, već i proučavanje fizike te utjecati čak i na način na koji naučnici istražuju strukturu svemira. Prototip je već sada tačan kao atomski sat, a očekuje se da će buduće verzije biti još preciznije i stabilnije, prema istraživanju objavljenom 4. septembra u časopisu Nature.

"Budući da su istraživači pokazali da je moguće proizvesti i izmjeriti te signale, postoji mnogo stvari koje možemo pogurati kako bismo dodatno poboljšali točnost", rekao je glavni autor studije Chuankun Zhang, student na JILA-i - istraživačkom centru što ga financiraju Sveučilište Colorado Boulder i Nacionalni institut za standarde i tehnologiju.

Na primjer, prilagodbe bi mogle uključivati podešavanje i frekvencije lasera koji gađaju jezgru. "Ovaj rad doista označava eru nuklearnog sata", rekla je dr. Olga Kocharovskaya, profesorica fizike na teksaškom sveučilištu A&M koja nije bila uključena u istraživanje.

Kocharovskaya i drugi istraživači testirali su 2023. jezgre atoma skandij-45 kao moguće kandidate za nuklearni sat. U to su vrijeme ti atomi proizveli najsnažniju energetsku tranziciju - i mjerljivi puls - ikada viđen u jezgri, ali novi rezultati torija-229 generirali su jači signal i bili su stabilniji, ističe Kocharovskaya. "Šire značenje je u povjerenju koje ovaj dokument pruža u stvarnost nuklearnog sata. Nema sumnje da je takav sat izvediv i da će uskoro biti izgrađen", tvrdi Kocharovskaya.

Atomski satovi

U atomskim satovima, elektroni atoma su izloženi elektromagnetskim zračenjem na određenim frekvencijama. Naleti energije pobuđuju elektrone, gurajući ih u višu orbitu oko atoma. Oscilacije koje pokreću prijelaze elektrona između stanja označavaju protok vremena.

Pouzdanost atomskih satova daleko je veća nego kod svakodnevnih satova koji mjere sekunde u vibracijama kvarcnih kristala, koji su skloni ispadanju iz sinkronizacije. Desetljećima su se atomski satovi koristili u GPS tehnologijama, za istraživanje svemira i za mjerenje međunarodnog vremena.

Međutim, atomski satovi također su osjetljivi na gubitak sinkronizacije. Elektromagnetske smetnje mogu poremetiti pobuđene elektrone i utjecati na preciznost mjerenja vremena.

Čestice u jezgri atoma, s druge strane, teže je poremetiti od elektrona. Protoni i neutroni čvrsto su povezani snažnom nuklearnom silom - najjačom od svih fundamentalnih sila. Valne duljine koje mogu inducirati prijelaz jezgre osciliraju na višim frekvencijama, omogućujući preciznija mjerenja vremena.

Prije ove studije bilo je nekoliko važnih otkrića u razvoju nuklearnih satova. Do prvog otkrića došlo je 1976. godine. Pokazalo se da je jezgra torija "jedinstveno niske energije" i da se može gurnuti u pobuđeno stanje korištenjem vakuumskog ultraljubičastog (VUV) laserskog svjetla. Do 2003. godine naučnici su predlagali da bi izotop torija-229 bio dobar kandidat za nuklearne satove, budući da je toriju potrebno manje energije za pobuđivanje svoje jezgre od većine drugih vrsta atoma.

"Naš rad nadograđuje se na to. Uspjeli smo pobuditi nuklearni prijelaz i razne prijelazne energije", rekao je Zhang, dodavši da su rezultati bili oko milion puta precizniji od prethodnih mjerenja.

Samo proučavanje fizike moglo bi se revolucionirati

Točnost i stabilnost atomskih satova već su naučnicima dali važne alate za proučavanje potresa, gravitacijskih polja i prostor-vremena. Ta bi polja mogla doživjeti "veliki poticaj" zahvaljujući nuklearnim satovima, tvrdi Kocharovskaya. Nuklearni satovi bili bi ne samo precizniji nego i jednostavniji i prenosiviji, jer za razliku od atomskih satova ne bi zahtijevali uvjete visokog vakuuma, ekstremno hlađenje i moćnu zaštitu od magnetskih i električnih poremećaja.

Samo proučavanje fizike moglo bi se revolucionirati korištenjem nuklearnih satova uz atomske, smatra Zhang. Praćenje i usporedba omjera frekvencija u dvije vrste satova tokom vremena moglo bi pomoći naučnicima da utvrde jesu li fundamentalne fizičke konstante doista konstantne kao što se čine ili se pomiču na razinama koje su prije bile premale za mjerenje.

Ova tehnika uparenog sata mogla bi promijeniti proučavanje tamne tvari, misteriozne tvari koja čini 80% svemira, ali koja nikada nije izravno mjerena.

Neki naučnici su sugerirali da tamna tvar stupa u interakciju s česticama kao što su elektroni, kvarkovi i gluoni, ali u količinama koje se trenutno ne mogu detektirati.

"Želimo vidjeti bi li tamna tvar mogla komunicirati s atomskom jezgrom na nešto drugačiji način u usporedbi s elektronskom orbitom u atomu. Ako se omjer prijelazne frekvencije nuklearnog sata i atomskog sata mijenja tokom vremena, to bi bio pokazatelj nove fizike", rekao je Zhang.

Premda još trebaju puno napredovati prije nego što nuklearni satovi nadmaše performanse atomskih satova, ova otkrića upućuju na to da takvo vrijeme nije daleko.

"Kako se budu razvijali bolji UV laserski izvori i kako će se razraditi neki od misterija i trikova nuklearnih satova, očekujem da će se na kraju neke vrste eksperimenata koje trenutno provodimo u mom laboratoriju za testiranje relativnosti i traženje nove fizike s atomskim satovi će se umjesto toga izvoditi s nuklearnim satovima", rekao je Shimon Kolkowitz, izvanredni profesor na Kalifornijskom sveučilištu Berkeley.