Защо учените изграждат ядрен часовник? Защото атомните часовници не са перфектни

Задачата за изграждане на часовник, който точно пази времето е напълно различен от часовниковия механизъм. Нормалните часовници ни помагат доста добре за ежедневните практически нужди, но научните изследвания и технологиите, основани на чувствителни измервания, изискват часовници, които могат да преценят времето с максимална точност. По този начин учените са изобретили атомни часовници - и въпреки че те са по-точни при запазване на времето от конвенционалните системи, остава значително място за подобрение. Сега учените преминават от атомния свят към ядрения. Ново проучване, публикувано в природа показва, че германските физици са разработили часовник, способен да загуби по-малко от една десета от секундата на всеки 20 милиарда години. Това е - в зависимост от това как го гледате - 10 пъти по-добре от сегашните атомни технологии

Но преди да спрем атомните часовници, да разгледаме какво ги прави различни от предшествениците, които показват махалото.

Всеки часовник използва резонатор, за да следи времето. Резонаторът е механизъм, който за опростяване редовно „кърлежи“. Старите часовници използваха махало и зъбни колела като резонатор. Цифровите часовници използват трептенията на електропровода или на кварцовия кристал като резонатор. Атомният часовник взема тази идея няколко стъпки напред, като използва резонансните честоти на самите атоми като резонатор. В тази система резонаторът се регулира от електромагнитното излъчване, излъчвано от квантовия преход на атома. С други думи, атомният часовник следи времето чрез измерване на енергийните промени в атомната частица.

За някои елементи и техните изотопи това се случва при постоянни честоти. Цезий-133 например осцилира при точно 9,192,631,770 цикъла в секунда. Ето защо той е бил използван за построяването на първия атомно часовник в Националната физическа лаборатория във Великобритания през 1955 г.

Оттогава редица технологични постижения доведоха до по-точни атомни часовници - включително лазерно охлаждане и улавяне на атоми, по-прецизна лазерна спектроскопия и откриване на други изотопни елементи, които показват още по-последователни резонансни честоти. Сегашният рекордер за най-точните атомни часове базира показанията на йтербийните йони.

Причината, поради която атомните часовници са толкова критични, е свързана с факта, че часовниците измерват времето по различен начин на различни височини. Колкото по-далеч часовникът е от главния източник на гравитация, толкова по-бързо преминава времето (т.е. часовникът ще се движи по-бързо на връх Еверест, отколкото на морското равнище). Разликата е на пръв поглед незначителна, но може да се добави като повече време минава.

Така че голяма част от нашата технология днес работи като глобални приложения, като GPS. За да се гарантира, че те работят по едно и също време, независимо къде е някой, те трябва да бъдат свързани директно с точен часовник. Няма по-добър начин да се гарантира, че да се използват като стандарт атомни часовници. В последното проучване германският изследователски екип очертава идея за директно измерване на трептенията на самия атомно ядро ​​на елемента (за разлика от електроните около ядрото). Атомният часовник, базиран на този дизайн, може да избегне влиянието на външни сили. Изследователският екип идентифицира състояние на възбуждане в изотопа на тория, Th-229m, което може да работи - и илюстрира експериментални находки, които подкрепят това схващане.

Има само един проблем: Th-229m не се среща естествено. Въпреки че резултатите от новото проучване са все пак впечатляващи, не е ясно как точно изследователите могат да събират достатъчно Th-229m за изграждане и поддържане на ядрен часовник. Изследователите произвеждат Th-229m в този случай, като използват уран-233 като източник. Това не е лесен процес.

Ако учените разберат как да разрешат този малък проблем и генерират устойчиво количество Th-229m, ние търсим ново поколение атомни часовници, които без съмнение ще играят основна роля, когато изграждаме все повече и повече технологии, които обхващат целия свят и обслужва хората във всички краища на света.