Чому вчені будують ядерні годинники? Тому що атомні годинники не ідеальні

Завдання побудови годинника, який точно зберігає час, абсолютно не схоже на годинниковий механізм. Нормальні годинники допомагають нам служити нам дуже добре для повсякденних практичних потреб, але наукові дослідження та технології, засновані на чутливих вимірах, вимагають годинників, які здатні оцінювати час з максимальною точністю. Таким чином, вчені винайшли атомні годинники - і, хоча вони є більш точними при збереженні часу, ніж звичайні системи, залишаються значні можливості для поліпшення. Зараз вчені переходять від атомного світу до ядерного. Нове дослідження опубліковано в Росії Природа показує, що німецькі фізики розробили годинник, здатний втрачати менше десятої секунди кожні 20 мільярдів років. Це - залежно від того, як ви дивитеся на неї - в 10 разів краще, ніж сучасні атомні технології

Але перед тим, як ми закидаємо атомні годинники застарілими, давайте розглянемо те, що робить їх відмінними від предків маятникових красунь.

Кожен годинник використовує резонатор для відстеження часу. Резонатор - це механізм, який заради спрощення регулярно «тикає». Старі годинники використовували маятник і шестерні як резонатор. Цифрові годинники використовують коливання на лінії електропередачі або кварцового кристала в якості резонатора. Атомний годинник приймає цю ідею на кілька кроків вперед, використовуючи резонансні частоти самих атомів як резонатор. У цій системі резонатор регулюється електромагнітним випромінюванням, що випромінюється квантовим переходом атома. Іншими словами, атомний годинник відстежує час, вимірюючи енергетичні зміни в атомній частці.

Для деяких елементів та їх ізотопів це відбувається на однакових частотах. Наприклад, цезій-133 коливається в точності 9,192,631,770 циклів в секунду. Саме тому він був використаний для побудови першого атомного годинника в Національній фізичній лабораторії у Великобританії, в 1955 році.

З тих пір ряд технологічних досягнень призвели до більш точних атомних годинників - включаючи лазерне охолодження і уловлювання атомів, більш точну лазерну спектроскопію і виявлення інших ізотопних елементів, які демонструють ще більш послідовну резонансну частоту. Поточний рекордсмен для найбільш точних атомних годин базує показання на іонах ітербій.

Причиною того, що атомні годинники настільки критичні, є те, що годинник вимірює час по-різному на різних висотах. Чим далі годинник від головного джерела тяжіння, тим швидше проходить час (тобто годинник буде працювати швидше на горі Еверест, ніж на рівні моря). Різниця, здавалося б, незначна, але може скласти більше часу.

Тому більша частина нашої технології в ці дні працює як глобальні програми, такі як GPS. Щоб забезпечити, щоб вони працювали одночасно незалежно від того, де хтось є, вони повинні бути прив'язані безпосередньо до точного годинника. Немає кращого способу забезпечити, ніж використовувати атомні годинники як стандарт. У останньому дослідженні німецька дослідницька група викладає ідею безпосереднього вимірювання коливань атомного ядра елемента (на відміну від електронів, що оточують ядро). Атомний годинник на основі цієї конструкції може уникнути впливу зовнішніх сил. Дослідницька група ідентифікує стан збудження в ізотопі торію, Th-229m, який міг би працювати, - і ілюструє експериментальні дані, які підтримують це поняття.

Є тільки одна проблема: Th-229m не відбувається природно. Незважаючи на те, що результати нового дослідження є вражаючими, незрозуміло, як саме дослідники можуть зібрати достатню кількість Th-229m для побудови та підтримки ядерного годинника. Дослідники похідного Th-229m в даному випадку використовують уран-233 в якості джерела. Це нелегкий процес.

Якщо вчені з'ясують, як вирішити цю проблему і створити стійкий обсяг Th-229m, ми розглядаємо нове покоління атомних годин, які безсумнівно відіграватимуть головну роль, коли ми будуємо все більше і більше технологій, які охоплюють земну кулю і обслуговує людей у ​​всіх куточках світу.