Na pragu smo revolucije: Naučnici blizu da otkriju sat koji ne gubi sekunde

12.09.2024. | 09:00

Zamislite sat koji otkucava toliko ravnomjerno da ne gubi ni sekundu, čak ni nakon milijardu godina. Naučnici su sada bliže nego ikada ovoj tačnosti u mjerenju vremena, pokazuje novo istraživanje.

Takav uređaj bi daleko nadmašio mogućnosti atomskih satova, koji definišu sekunde putem kontrolisanih skokova energije u elektronima atoma i trenutno predstavljaju vrhunac preciznosti u mjerenju vremena. U atomskim satovima, signali koji pobuđuju atome osciluju na frekvenciji od milijardu puta u sekundi, piše Si Еn Еn.

Istraživači su nedavno razvili tehniku koja bi mogla povećati ovu tačnost pokretanjem i merenjem oscilacija u još složenijoj meti – jezgru atoma.

Naučnici su koristili ultraljubičasto svjetlo za pobuđivanje nuklearnih čestica u atomu torijuma-229 ugrađenog u čvrsti kristal. Zatim su izmjerili frekvenciju energetskih impulsa koji utiču na jezgro – ekvivalent klatnu u običnom satu – brojeći talase u UV signalu pomoću alata nazvanog optički frekvencijski češalj.
Pobuđivanje energetskih skokova u jezgru zahtijeva mnogo višu frekvenciju signala nego što je potrebno za atomske satove. Sa više ciklusa talasa u sekundi, očekuje se da će ovaj pristup omogućiti preciznije mjerenje vremena.

Otkriće koje bi moglo promijeniti sve

Iako je njihov nuklearni sat još uvijek u razvoju, mogao bi transformisati ne samo mjerenje vremena već i proučavanje fizike, kao i uticati na način na koji naučnici istražuju strukturu svemira. Prototip je već sada precizan kao atomski sat, a očekuje se da će buduće verzije biti još tačnije i stabilnije, prema istraživanju objavljenom 4. septembra u časopisu “Nejčur”.

“Pošto su istraživači pokazali da je moguće proizvesti i izmjeriti te signale, postoji mnogo stvari koje možemo unaprijediti kako bismo dodatno poboljšali preciznost”, rekao je glavni autor studije Čuankun Džang, student na JILA – istraživačkom centru koji finansiraju Univerzitet Kolorado Boulder i Nacionalni institut za standarde i tehnologiju.

Na primjer, prilagođavanja bi mogla uključivati podešavanje frekvencija lasera koji ciljaju jezgro.

“Ovaj rad zaista označava početak ere nuklearnog sata”, rekla je dr Olga Kočarovskaja, profesor fizike na Univerzitetu A&M u Teksasu, koja nije bila uključena u istraživanje.

Kočarovskaja i drugi istraživači testirali su 2023. godine jezgra atoma skandijuma-45 kao moguće kandidate za nuklearni sat. U to vrijeme, ti atomi su proizveli najjaču energetsku tranziciju – i mjerljiv impuls – ikada viđenu u jezgru, ali novi rezultati torijuma-229 generisali su jači signal i bili su stabilniji, ističe Kočarovskaja.

“Nema sumnje da je takav sat izvodljiv i da će uskoro biti napravljen”, tvrdi ona.

Atomski satovi

U atomskim satovima elektroni atoma su izloženi elektromagnetnom zračenju na određenim frekvencijama. Еnergetski impulsi pobuđuju elektrone, gurajući ih u višu orbitu oko atoma. Oscilacije koje pokreću prelaze elektrona između stanja obilježavaju protok vremena.

Pouzdanost atomskih satova daleko nadmašuje svakodnevne satove koji mjere sekunde putem vibracija kvarcnih kristala, koji su skloni gubitku sinhronizacije. Decenijama su atomski satovi korišćeni u GPS tehnologijama, istraživanju svemira i mjerenju međunarodnog vremena.

Međutim, atomski satovi su takođe osjetljivi na gubitak sinhronizacije. Еlektromagnetne smetnje mogu poremetiti pobuđene elektrone i uticati na preciznost mjerenja vremena.

Čestice u jezgri atoma, sa 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 osciluju na višim frekvencijama, omogućavajući preciznija mjerenja vremena.

Prije ove studije bilo je nekoliko važnih otkrića u razvoju nuklearnih satova. Prvo otkriće desilo se 1976. godine.

Pokazalo se da jezgro torijuma ima “jedinstveno nisku energiju” i da se može pobuditi korišćenjem vakuumskog ultraljubičastog (VUV) laserskog svjetla. Do 2003. godine, naučnici su smatrali da bi izotop torijuma-229 bio dobar kandidat za nuklearne satove jer torijum zahtijeva manje energije za pobuđivanje jezgra od većine drugih vrsta atoma.
“Naš rad se nadovezuje na to. Uspjeli smo da pobudimo nuklearni prelaz i razne prelazne energije”, rekao je Džang, dodajući da su rezultati bili oko milion puta precizniji od prethodnih mjerenja.

Proučavanje fizike moglo bi da doživi revoluciju

Preciznost i stabilnost atomskih satova već su naučnicima dali važne alate za proučavanje zemljotresa, gravitacionih polja i prostor-vremena. Ta polja bi mogla dobiti “ogroman podsticaj” zahvaljujući nuklearnim satovima, tvrdi Kočarovskaja.

Nuklearni satovi bi bili ne samo precizniji, već i jednostavniji i prenosiviji, jer, za razliku od atomskih satova, ne bi zahtijevali uslove visokog vakuuma, ekstremno hlađenje i moćnu zaštitu od magnetskih i električnih smetnji.

Proučavanje fizike moglo bi da doživi revoluciju upotrebom nuklearnih satova zajedno sa atomskim, smatra Džang. Praćenje i poređenje odnosa frekvencija dvije vrste satova tokom vremena moglo bi pomoći naučnicima da utvrde da li su fundamentalne fizičke konstante zaista konstantne, ili se mijenjaju na nivoima koji su ranije bili premali za mjerenje.

Ova tehnika “uparenih satova” mogla bi promijeniti proučavanje tamne materije, misteriozne supstance koja čini 80% svemira, ali nikada nije direktno izmjerena.
Neki naučnici sugerišu da tamna materija interaguje sa česticama kao što su elektroni, kvarkovi i gluoni, ali u količinama koje trenutno nisu detektabilne.

“Želimo da vidimo da li tamna materija može komunicirati sa atomskom jezgrom na nešto drugačiji način u poređenju sa elektronskom orbitom u atomu. Ako se odnos prelazne frekvencije nuklearnog i atomskog sata mijenja tokom vremena, to bi bio pokazatelj nove fizike”, rekao je Džang.

Iako predstoji mnogo rada prije nego što nuklearni satovi nadmaše atomske, ova otkrića sugerišu da takvo vrijeme nije daleko.

“Kako se budu razvijali bolji UV laserski izvori i riješile neke od misterija i trikova nuklearnih satova, očekujem da će neki od eksperimenata koje trenutno sprovodimo u mojoj laboratoriji za testiranje relativnosti i traženje nove fizike s atomskim satovima, umjesto toga biti izvođeni sa nuklearnim satovima”, rekao je Šimon Kolkovic, vanredni profesor na Kalifornijskom univerzitetu u Berkliju.