Zamislite časovnik koji otkucava tako ravnomerno da ne gubi ni sekundu, čak ni nakon što je radio milijardu godina.
Naučnici su sada bliže nego ikad toj preciznosti u merenju vremena, pokazalo je novo istraživanje. Takav bi uređaj uvelike nadmašio atomske satove koji određuju sekunde kroz kontrolisane skokove energije u elektronima atoma i trenutno su vrhunac točnosti. U atomskim satovima signali koji pobuđuju atome osciliraju na frekvenciji od milijardu puta u sekundi, piše CNN.
Istraživači su nedavno usavršili tehniku koja će povećati ovu tačnost pokretanjem i merenjem oscilacija u još složenijoj meti – jezgru atoma. Koristili su ultraljubičasto svetlo (UV) za pobuđivanje nuklearnih čestica u atomu torijuma-229 ugrađenom u čvrsti kristal. Zatim su izmerili frekvenciju energetskih impulsa koji utiču na jezgro – što je ekvivalent klatnu u u običnom satu – brojeći talase u UV signalu alatom koji se zove optički frekvencijski češalj. Izazivanje energetskih skokova u jezgru zahteva mnogo višu frekvenciju signala nego što je potrebna za atomske satove. S više talasnih ciklusa u sekundi očekuje se da će ovaj pristup tačnije meriti vreme.
Iako je još uvijek u razvoju, takav sat mogao bi transformisati ne samo merenje vremena već i proučavanje fizike i uticati, čak, i na to kako naučnici istražuju ustrojstvo svemira. Prototip je već sada tačan kao atomski sat, a očekuje se da će buduće verzije biti preciznije i stabilnije, prema istraživanju objavljenom nedavno u časopisu Nature. „Budući da su istraživači pokazali da je moguće proizvesti i izmeriti te signale, postoji mnogo stvari koje možemo pogurati da bismo dodatno poboljšali tačnost”, rekao je glavni autor studije Čuankun Džang, student u JILA istraživačkom centru koji financiraju Univerzitet Kolorado u Bolderu i Nacionalni institut za standarde i tehnologiju.
Poboljšanja bi uključila podešavanje i frekvencije lasera koji gađaju jezgro. „Ovaj rad doista označava eru nuklearnog sata”, izjavila je dr Olga Koharovskaja, profesorka fizike na Teksaškom univerzitetu A&M koja nije bila uključena u istraživanje. Ona i drugi istraživači testirali su 2023. jezgra atoma skandijuma-45 kao moguće kandidate za nuklearni sat. U to vreme ovi atomi proizveli su najsnažniju energetsku tranziciju – i merljiv puls – ikad viđenu u jezgru, ali novi rezultati torijuma-229 generiaali su jači signal i bili su stabilniji, ističe Koharovskaja i dodaje: „Nema sumnje da je takav sat izvodljiv i da će uskoro biti izrađen”.
U atomskim satovima elektroni atoma su izloženi elektromagnetskom zračenju na određenim frekvencijama. Naleti energije pobuđuju elektrone, gurajući ih u višu orbitu oko atoma. Oscilacije koje pokreću prelaze elektrona označavaju protok vremena. Pouzdanost atomskih satova daleko je veća nego svakodnevnih koji mere sekunde u vibracijama kvarcnih kristala, koji su skloni ispadanju iz sinhronizacije. Decenijama su se atomski satovi koristili u GPS tehnologijama za proučavanje svemira i za merenje međunarodnog vremena. Međutim, atomski satovi su, takođe, osetljivi na gubitak sinhronizacije. Elektromagnetske smetnje mogu poremetiti pobuđene elektrone i uticati na preciznost merenja vremena.
Čestice u jezgru atoma, s druge strane, teže je poremetiti od elektrona. Protoni i neutroni čvrsto su povezani snažnom nuklearnom silom – najjačom od svih fundamentalnih sila. Talasne dužine koje mogu indukovati prelaz jezgra osciliraju na višim frekvencijama, omogućujući preciznija merenja vremena. Pre ove studije bilo je nekoliko važnih otkrića u razvoju nuklearnih satova. Do prvog otkrića došlo je 1976. Pokazalo se da je jezgro torijuma jedinstveno niske energije i da se može gurnuti u pobuđeno stanje vakuumskim ultraljubičastim (VUV) laserskim svetlom. Do 2003. naučnici su mislili da bi izotop torijuma-229 bio dobar kandidat za nuklearne satove jer je torijumu potrebno manje energije za pobuđivanje jezgra od većine drugih vrsta atoma.
„Naš rad nadograđuje se na to. Uspeli smo pobuditi nuklearni prelaz i razne prelazne energije”, objasnio je Džang, dodavši da su rezultati bili oko milion puta precizniji od prethodnih merenja. Tačnost i stabilnost atomskih satova već su istraživačima dali važne alate za proučavanje potresa, gravitacionih polja i prostor-vremena. Nuklearni satovi bili bi ne samo precizniji nego i jednostavniji i prenosiviji jer, za razliku od atomskih, ne bi zahtevali uslove visokog vakuuma, ekstremno hlađenje i moćnu zaštitu od magnetskih i električnih poremećaja.
Samo proučavanje fizike moglo bi se revolucionisati korišćenjem nuklearnih satova uz atomske, smatra Džang. Praćenje i poređenje odnosa frekvencija u dvie vrste satova vremenom bi pomogli n auč nicima da utvrde jesu li fundamentalne fizičke konstante doista konstantne kao što se čine ili se pomeraju u razmerama koje su ranije bile premale za merenje. Tehnika uparenog sata mogla bi promeniti proučavanje tamne materije, misteriozne tvari koja čini 80% svemira, a nikada nije neposredno merena. Neki naučnici su sugerisali da tamna tvar stupa u interakciju s česticama kao što su elektroni, kvarkovi i gluoni, ali u količinama koje se trenutno ne mogu detektovati. „Želimo da vidimo da li bi tamna mogla mogla komunicirati sa atomskim jezgrom na drugačiji način u poređnju sa elektronskom orbitom u atomu. Ako se odnos prelazne frekvencije nuklearnog i atomskog sata menja vremenom, to bi bio pokazatelj nove fizike”, naglasio je Džang.
(Ilustracija Steven Burrows and Ye Group/JILA)
(Indeks)
