Физики создали первые работоспособные ядерные часы на основе изотопа тория-229. Их точно обещает быть феноменальной. Новость вызвала огромный интерес не потому, что человечеству вдруг понадобилось знать время еще точнее.
Настоящая сенсация заключается в другом: эти часы могут стать инструментом для поиска новой физики за пределами современной науки.
До сих пор самые точные часы в мире были атомными. Именно они обеспечивают работу GPS, интернета, телекоммуникаций и научных экспериментов. Но теперь ученые впервые смогли использовать не электронные оболочки атома, а само атомное ядро. Это выглядит как небольшое техническое изменение, но на самом деле разница примерно такая же, как между карманным компасом и космическим телескопом. Если атомные часы позволили человечеству измерять время с невиданной ранее точностью, то ядерные часы могут позволить измерять саму структуру реальности.
Принцип работы логики старого подхода
Чтобы понять, почему физики так взволнованы, нужно разобраться, как работают современные атомные часы. Внутри атома электроны могут находиться только на строго определенных энергетических уровнях. Когда электрон перескакивает между ними, он поглощает или излучает свет строго определенной частоты. Эта частота настолько стабильна, что ее можно использовать как идеальный маятник. Собственно, современные определения секунды основаны именно на таких переходах.
Но у электронов есть проблема. Они находятся сравнительно далеко от ядра и постоянно испытывают влияние окружающей среды. Электрические поля, магнитные поля, температура, столкновения с другими атомами — всё это немного искажает измерения. Современные технологии научились бороться с этими помехами, но фундаментальный предел все равно существует.
Принцип новых часов
И тут появляется торий-229. Этот изотоп давно считался физическим чудом. Практически все известные ядерные переходы обладают энергией в миллионы электронвольт. Для их возбуждения нужны мощные ускорители частиц или радиоактивные процессы.
Но у тория-229 существует уникальное возбужденное состояние ядра с энергией всего несколько электронвольт. Это невероятно мало по ядерным меркам. Настолько мало, что переход можно возбуждать лазером.
Для физиков это выглядело почти как ошибка природы. Представьте, что все горы на Земле имеют высоту в несколько километров, а среди них внезапно обнаруживается гора высотой всего двадцать сантиметров. Именно таким исключением выглядит торий-229 среди всех известных ядер.
Многие десятилетия ученые пытались точно измерить этот переход. Проблема заключалась в том, что никто даже не знал его энергию с достаточной точностью. Поиск напоминал настройку радиоприемника, когда неизвестно, на какой частоте вещает станция. Исследователи буквально годами сканировали диапазоны частот в поисках нужного сигнала.
И вот теперь произошло то, чего ждали несколько поколений физиков. Лазер удалось надежно синхронизировать с ядерным переходом. Фактически был создан первый рабочий прототип ядерных часов.
Главный вопрос
Но как практикующий физик я считаю, что главное здесь вовсе не измерение времени.
Настоящий интерес начинается тогда, когда мы задаем вопрос: а что будет, если фундаментальные константы природы не совсем постоянны?
Стандартная модель физики предполагает, что масса электрона, заряд электрона, постоянная тонкой структуры и другие фундаментальные величины неизменны во времени и пространстве. Однако многие теории новой физики допускают крошечные изменения этих параметров. Настолько малые, что никакой существующий прибор их пока не способен заметить.
Ядерные часы могут изменить ситуацию.
Дело в том, что энергия ядерного перехода чрезвычайно чувствительна к фундаментальным константам. Если где-то рядом пройдет облако темной материи, если существует неизвестное скалярное поле, если фундаментальные константы слегка колеблются во времени, ядерные часы могут заметить это раньше всех остальных приборов.
Фактически ученые создают не просто часы, а гигантский детектор новой физики, замаскированный под измеритель времени.
Есть еще одна причина, почему эта технология вызывает такой ажиотаж. Общая теория относительности говорит, что время течет по-разному в разных гравитационных полях. Сегодня атомные часы способны замечать разницу высот порядка сантиметра. Ядерные часы потенциально смогут измерять различия на уровне миллиметров и даже меньше. Это означает возможность создавать карты гравитационного поля Земли с беспрецедентной детализацией.
Но самое интересное заключается в философском аспекте открытия. На протяжении всей истории человечества мы делали часы всё лучше и лучше. От солнечных часов к маятникам, от маятников к кварцу, от кварца к атомам. Теперь мы впервые добрались до уровня атомного ядра.
Если раньше эталоном времени служило движение небесных тел, затем колебания механических систем и наконец поведение электронов, то теперь человечество начинает отсчитывать время по процессам, происходящим в самом сердце материи.
Именно поэтому многие физики считают появление ядерных часов не просто очередным техническим достижением, а рождением нового поколения измерительных инструментов. История науки показывает, что всякий раз, когда мы учились измерять что-то намного точнее, мы обнаруживали новые законы природы. Возможно, сейчас происходит именно такой момент. Мы создали лучшие часы не для того, чтобы знать время, а для того, чтобы наконец увидеть то, что до сих пор было скрыто от науки.
Свежие новости физики с авторской оценкой и моими комментариями регулярно на этом канале.
⚠️ Поставьте лайк и подпишитесь, чтобы не пропускать обновления! Это поможет каналу развиваться, а вам видеть больше интересного из мира физики в ленте!