Американските физичари развија техника што може да се користи за развој на нуклеарни часовници, кои би биле значително попрецизни од најдобрите постојни атомски часовници. Таквото прецизно мерење на времето треба да овозможи проверка на постојните теории и константи и да го олесни напредокот во навигацијата и комуникацијата во длабоката вселена. Ова фасцинантно достигнување е претставено во списанието „Физикал ривју летерс“, а го пренесува „Индекс.хр“.
Нуклеарен часовник
Постојните атомски часовници се засноваат на осцилациите на електроните, кои, возбудени од електромагнетни бранови, скокаат помеѓу две енергетски состојби, односно две орбитали. Нуклеарните часовници треба да се засноваат на возбудување, односно подигање на енергетската состојба на неутроните во јадрото на атомот со помош на ласер. Во атомските часовници, електроните на некои елементи, како што е цезиумот, се возбудени до повисока енергетска состојба од надворешен извор на електромагнетно зрачење, т.е. микробранови. Кога атомот апсорбира електромагнетен бран, електронот во атомот ја прима енергијата на тој бран и се движи на повисоко енергетско ниво. Оваа транзиција се случува кога енергијата на фотонот на електромагнетниот бран точно се совпаѓа со енергијата потребна за оваа транзиција.
Електронот во возбудена состојба не е стабилен, па по некое време спонтано или индуцирано ќе испушти фотон, ќе изгуби енергија и ќе се врати на пониско ниво на енергија во постабилна состојба. Во атомските часовници овој процес на електронски транзиции и осцилации се користи како основа за мерење на времето. Фреквенцијата на овие осцилации е многу стабилна и прецизна, што овозможува точно мерење на времето.
На пример, еден од најчестите типови на атомски часовници го користи атомот на цезиум-133, а една секунда е дефинирана како 9.192.631.770 циклуси на осцилација на неговиот надворешен електрон помеѓу две енергетски состојби. Цезиумскиот часовник е погрешен за помалку од секунда на секои 20 милиони години.
Денес најдобри часовници се оптичките атомски часовници
Физичарот Невен Шантиќ од Институтот за физика, кој се занимава со атомски часовници, за „Индекс.хр“ вели дека најдобрите цезиумски часовници, т.н. цезиумските фонтани, губат 1 секунда во 160 милиони години.
– Најдобрите часовници што моментално постојат се всушност оптички атомски часовници, кои наместо микробранова радијација, на која работат цезиумските часовници, користат зрачење во видливиот дел од спектарот и транзиции во атомите како што е стронциумот. Најдобрите стронциумски оптички атомски часовници губат околу секунда на секои 30 милијарди години, што е двојно подолго од староста на универзумот, затоа стронциумот е еден од водечките кандидати за редефинирање на вториот, кој се очекува во 2030 година – вели Шантиќ.
Нуклеарните часовници треба да бидат уште попрецизни бидејќи нивните фреквенции би биле многу повисоки и затоа што електроните се значително повеќе изложени на пречки од атомските јадра. Имено, голем број фактори на животната средина можат да влијаат на тоа како електроните апсорбираат и емитуваат фотони, што ја ограничува нивната прецизност. Неутроните и протоните, од друга страна, се врзани во јадрото со силната нуклеарна сила, најсилната од четирите фундаментални сили на природата, така што тие доживуваат многу помалку пречки од околината. Тоа исто така ги прави нивните осцилации многу побрзи, попрецизни и постабилни. Се проценува дека нуклеарниот часовник на ториумот би бил погрешен за помалку од една секунда на секои сто милијарди години.
Генерално е точно дека колку побрзо отчукува часовникот, толку е попрецизен. Затоа оптичките часовници се попрецизни од микробрановите, бидејќи наместо микробранови и милијарда отчукувања во секунда, тие користат оптички бранови што чукаат стотици милијарди пати во секунда.
– Конечно, нуклеарните атомски часовници отчукуваат уште побрзо, илјадници трилиони пати во секунда. Особено, оваа транзиција на ториумот беше откриена на приближно 2.000 THz, што значи дека неговото отчукување е приближно 200.000 пати побрзо од она на цезиумските часовници – објаснува научникот.
Како беше решен долгогодишниот проблем?
Физичарите речиси половина век бараат начин да ги возбудат неутроните во јадрата на атомите. Проблемот со кој се соочуваа досега беше фактот што беше исклучително тешко да се возбудат бидејќи беше тешко да се дојде до нив со електромагнетни бранови поради електроните што орбитираат околу јадрата, кои се многу реактивни на светлина. Електроните апсорбирале поголем дел од фотоните, па затоа било потребно многу светлина за што било да стигне до јадрото.
Физичарите од УКЛА успеаја да го надминат тој проблем со вградување атоми на ториум-229 во проѕирен кристал богат со флуор. Електроните во кристалот беа толку цврсто врзани за флуорот што кристалот стана проѕирен за фреквенциите што требаше да стигнат до јадрото. Тие би можеле да ги апсорбираат овие фотони и повторно да ги емитираат, што овозможило откривање и мерење на возбудата, односно осцилацијата на јадрата. Со промена на енергијата на фотонот и следење на брзината со која се возбудуваат јадрата, тимот успеа да ја измери енергијата на нуклеарната возбудена состојба. Водечкиот истражувач Ерик Хадсон, професор по физика и астрономија вели дека ако го држите ториумот на место во проѕирен кристал, можете да разговарате со него со светлина. Хадсон верува дека новата технологија може да најде примена секаде каде што е потребна екстремна прецизност во мерењето на времето. Интересно е и тоа што постојните атомски часовници базирани на електрони се огромни уреди со вакуумски комори за фаќање атоми и опрема за ладење, додека нуклеарните часовници базирани на ториум би биле многу помали, поробусни, попреносливи и попрецизни.
