Ядерные часы могли бы стать величайшими из всех хронометров. Если физики смогут их построить, ядерные часы станут совершенно новым типом часов, которые будут отсчитывать время на основе физики сердец атомов. Самые точные часы сегодня, называемые атомными часами, основаны на поведении электронов атомов. Но, по оценкам исследователей, часы, основанные на атомных ядрах, могут в 10 раз превосходить точность этих атомных часов.
Более совершенные часы могут улучшить технологии, которые зависят от них, такие как GPS-навигация, сказал 3 июня физик Питер Тирольф во время онлайн-встречи Отделения атомной, молекулярной и оптической физики Американского физического общества. Но «дело не только в хронометрировании». В отличие от электронов атомов, атомные ядра подвержены сильному ядерному взаимодействию, которое удерживает протоны и нейтроны вместе. «Ядерные часы видят другую часть мира», — сказал Тирольф из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. Это означает, что ядерные часы могут позволить провести новые испытания фундаментальных идей в физике, включая вопрос о том, являются ли на самом деле неизменные числа в физике, известные как фундаментальные константы, постоянными.
Атомные часы отсчитывают время, используя скачки энергии электронов атомов. Согласно квантовой физике, электроны в атомах могут нести только определенное количество энергии на определенных энергетических уровнях. Чтобы перебросить электроны в атоме с одного энергетического уровня на другой, атомы атомных часов должны быть поражены лазерным светом только нужной частоты. Эта частота — частота колебаний электромагнитных волн света — служит очень точным хронометром.
Подобно электронам в атоме, протоны и нейтроны в атомных ядрах также занимают дискретные уровни энергии. Ядерные часы будут основаны на скачках между этими уровнями ядерной энергии, а не на уровнях электронов. Примечательно, что ядра устойчивы к воздействию паразитных электрических или магнитных полей, которые могут мешать работе атомных часов. В результате ядерные часы «будут более стабильными и точными», — говорит физик-теоретик Адриана Палфи из Университета Фридриха Александра в Эрлангене-Нюрнберге в Германии.
Но есть проблема. Чтобы отсчитать время с ядрами, ученые должны иметь возможность запускать скачок между уровнями ядерной энергии с помощью лазера. «Ядерные уровни обычно недоступны с помощью лазеров», — сказала 2 июня физик-теоретик Марианна Сафронова из Университета Делавэра. Для большинства ядер это потребует света более высокой энергии, чем могут обеспечить подходящие лазеры. К счастью, во всех известных ядрах есть одно-единственное исключение, сказала Сафронова, «чудо природы». Разновидность тория, называемая торий-229, имеет пару энергетических уровней, достаточно близких по энергии, чтобы лазер потенциально мог спровоцировать скачок.
Недавние измерения более точно определили энергию этого скачка, что стало решающим шагом на пути к созданию ториевых ядерных часов. Тирольф и его коллеги оценили энергию, измеряя электроны, испускаемые, когда ядро прыгает между двумя уровнями, как сообщалось в Nature в 2019 году. А в статье 2020 года в Physical Review Letters физик Андреас Флейшманн и его коллеги измерили другие энергетические скачки, которые может совершить ядро тория, вычитая их, чтобы получить энергию скачка ядерных часов.
Команды сходятся во мнении, что энергия скачка составляет чуть более 8 электрон-вольт. Эта энергия соответствует ультрафиолетовому свету в диапазоне, для которого возможно выполнение прыжка с помощью лазера, но на грани возможностей ученых.
Теперь, когда физики знают величину скачка энергии, они хотят вызвать его с помощью лазеров. На встрече физик Чуанкун Чжан из исследовательского института JILA в Боулдере, штат Колорадо, сообщил об усилиях по использованию частотной гребенки — метода создания массива дискретных частот лазерного света — для инициирования прыжок и еще лучше измерить его энергию. «Если это удастся, мы сможем напрямую построить на основе этого оптические часы на ядерной основе», — сказал он на встрече. Команда Тирольфа также работает с частотными гребенками, стремясь создать работающие ядерные часы в течение следующих пяти лет.
Тем временем Палфи изучает возможность использования так называемого «электронного моста». Палфи сообщил на встрече, что вместо того, чтобы использовать лазер для непосредственного инициирования скачка энергии ядром, лазер сначала возбудит электроны, которые затем передадут энергию ядру.
Ядерные часы могут позволить исследователям разработать новые тесты, чтобы определить, меняются ли фундаментальные природные константы с течением времени. Например, некоторые исследования предполагают, что постоянная тонкой структуры — число, определяющее силу электромагнитных взаимодействий, — может изменяться. «Эти ядерные часы — идеальная система для поиска вариаций фундаментальных констант», — сказал на встрече Виктор Фламбаум из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее. Эти устройства могут также проверить основу общей теории относительности Эйнштейна, называемую принципом эквивалентности. Или они могут искать темную материю, неуловимые необнаруженные частицы, которые, по мнению физиков, составляют большую часть материи Вселенной, что может изменить тиканье часов.
По его словам, потенциал ядерных часов настолько многообещающий, что Флейшману из Гейдельбергского университета в Германии потребовалось всего мгновение, чтобы решить, как ученые могут построить ядерные часы. Было «с первой секунды ясно, что это вопрос, над которым нужно работать».
