Глубокой ночью в лаборатории в Колорадо было сделано открытие, которое может изменить наше понимание времени и самой Вселенной. На экране компьютера появился сигнал, обозначающий тонкий сдвиг в энергетическом состоянии ядра тория-229. И это была не обычная смена. Он представлял собой «тиканье» первых в мире элементарных ядерных часов.

Чуанкунь Чжан, аспирант, который первым увидел сигнал, быстро поделился этой новостью со своими коллегами. В течение следующих нескольких часов они подтвердили свои выводы, зная, что достигли чего-то экстраординарного.

«Мы провели всю ночь, проводя все тесты, чтобы проверить, действительно ли это тот сигнал, который мы искали», — сказал Чжан. Природа добавив, что быть частью этого открытия «было потрясающе».

Этот прорыв стал кульминацией почти пяти десятилетий исследований. Но для физиков это только начало нового пути, который может проложить путь не только к новому поколению сверхточных часов, но также может переопределить наше понимание фундаментальных сил.

Обещание ядерных часов

Физики из JILA, совместного института Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Колорадо в Боулдере, продемонстрировали важнейшие компоненты того, что может стать самыми точными из существующих часов: ядерных часов. В отличие от атомных часов, которые измеряют время по движению электронов вокруг атома, ядерные часы будут отслеживать более тонкие и быстрые энергетические сдвиги внутри ядра атома.

Команда под руководством физика NIST и JILA Джун Е измерила частоту ультрафиолетового света, который вызывает скачки энергии в ядрах атомов тория-229, встроенных в кристалл. Эта частота, фактически «тиканье» ядерных часов, была синхронизирована с одними из самых точных атомных часов в мире. Результат? Измерение в 100 000 раз более точное, чем предыдущие попытки, что означает большой шаг к созданию полностью функциональных ядерных часов.

Почему ядерные часы?

Атомные часы в настоящее время устанавливают международный стандарт времени. Они полагаются на вибрации атомов, чтобы отсчитывать время с поразительной точностью. В основе этих часов лежит атом цезия-133, электроны которого колеблются между двумя энергетическими состояниями с очень постоянной частотой под воздействием микроволн. Эта частота, естественный «тик», считается для измерения течения времени. Настраивая лазеры и микроволны в соответствии с собственными колебаниями атома, атомные часы достигают необычайного уровня точности. Настолько точны, что спустя десятки миллиардов лет они теряют лишь секунду.

Итак, если мы уже можем точно измерять время, зачем нужны ядерные часы? Частицы ядра, в отличие от электронов, в значительной степени невосприимчивы к внешним воздействиям, таким как электромагнитные поля. Эта стабильность могла бы сделать ядерные часы не только более точными, но также более надежными и портативными, чем существующие атомные часы.

Прорыв в ядерных часах зависит от тория-229, редкого изотопа с уникальной особенностью: его ядро ​​может претерпевать низкоэнергетический переход, который можно возбуждать лазерами. Это свойство было впервые предложено в 1970-х годах, когда ученые, изучавшие побочные продукты исследований ядерного оружия, заметили необычно низкоэнергетическое состояние в ядрах тория-229. Десятилетия спустя исследователям наконец удалось использовать эту особенность для создания первого в мире прототипа ядерных часов.

Создание ядерных часов – немалый подвиг. Исследователи внедрили триллионы атомов тория-229 в кристалл и использовали специализированное устройство, известное как частотная гребенка. Это устройство излучает спектр лазерных частот, позволяя исследователям одновременно исследовать несколько энергетических состояний и найти точную частоту, необходимую для возбуждения ядра тория-229.

Помимо применения в измерениях времени, ядерные часы представляют собой новый инструмент для изучения фундаментальной физики. Поскольку частота часов задается силами, удерживающими ядро ​​вместе, небольшие изменения в этих силах, потенциально вызванные экзотическими частицами, такими как темная материя, могут быть обнаружены с беспрецедентной чувствительностью.

Высокая чувствительность часов к этим силам может сделать их в 100 миллионов раз более чувствительными, чем атомные часы, к определенным типам темной материи, утверждают исследователи в своем новом исследовании. Это могло бы помочь физикам выяснить, остаются ли константы природы, такие как сила ядерного взаимодействия или скорость света, действительно постоянными с течением времени.

Предстоящие задачи

Несмотря на впечатляющий потенциал, предстоит еще значительная работа, прежде чем ядерные часы смогут превзойти атомные. Прототип команды JILA, хотя и является новым, еще не усовершенствован для непрерывного измерения времени. Также продолжаются споры о том, как лучше всего реализовать часы. Должен ли торий-229 оставаться в кристалле, как сейчас, или захват отдельных атомов даст еще лучшие результаты?

Лазерная технология, используемая для индукции энергетических сдвигов, также нуждается в дальнейшем развитии. Однако нынешняя установка служит лишь прототипом более совершенной системы, которая в конечном итоге может стать основой практических ядерных часов. Награды тоже того стоят. Более точные часы могли бы улучшить технологию GPS, позволить провести новые проверки законов физики и, возможно, даже обнаружить неуловимые частицы темной материи.

Следующие шаги будут включать в себя повышение точности ядерных часов и проверку их пределов. Исследователи надеются использовать эту новую технологию, чтобы изучить структуру Вселенной более тщательно, чем когда-либо прежде. Могут ли фундаментальные константы физики меняться со временем? Есть ли в силах, связывающих атомы и ядра, нечто большее, чем мы понимаем в настоящее время?

С появлением ядерных часов физики готовы заняться этими вопросами напрямую. И хотя путь к полностью функциональным ядерным часам только начинается, предстоящий путь обещает новое понимание природы времени, материи и самого космоса.

По словам Цзюнь Е: «Представьте себе наручные часы, которые не проиграют ни секунды, даже если вы оставите их включенными на миллиарды лет. Хотя мы еще не достигли этой цели, это исследование приближает нас к этому уровню точности».

Результаты были опубликованы в журнале Природа.