Созданы самые точные часы в мире — ядерные
Надежный навигатор по всей планете, для работы которого не нужны никакие спутники...
Новые методы поиска темной материи...
Гравитационная разведка полезных ископаемых...
Уточнение — действительно ли скорость света в вакууме является константой?..
Все это окажется реальностью, когда ядерные часы, прототип которых был создан в 2024 году, станут серийным устройством. При этом их не надо путать с атомными часами, с помощью которых сейчас определен эталон секунды. Ядерные будут минимум в 100 тысяч раз точнее.
«Получается, что за время существования Вселенной, то есть за тринадцать с небольшим миллиардов лет, эти часы будут отставать на одну миллисекунду. То есть, если бы эти суперточные часы мы запустили бы в момент Большого взрыва, то мы бы увидели, что они, в общем-то, отстали бы всего на одну тысячную секунды», — зав. кафедрой «Физико-технические проблемы метрологии» Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ, д.ф.-м.н. Петр Борисюк.
Как такое может быть возможным? Часы впервые в истории науки будут поддерживать свою точность с помощью низкоэнергетического ядерного перехода изотопа тория-229. То есть они будут работать на основе процессов в ядре атома, а не в его электронной оболочке, как это делают привычные нам атомные часы.
Что такое ядерные переходы? В ядре атома, где находятся протоны и нейтроны, тоже есть энергетические уровни, как и у электронов. Когда ядро переходит между этими уровнями, оно также испускает или поглощает энергию, и этот процесс очень стабильный. Изотоп тория-229 уникален тем, что его ядерные энергетические уровни расположены очень близко друг к другу. Это позволяет использовать низкоэнергетический переход, который можно измерить с высокой точностью, при этом не требуя огромных энергозатрат.
Измерить энергию этого перехода в 2024 году удалось нескольким научным группам в мире. Особенно отличились исследователи из института JILA (ДжИла) в американском штате Колорадо. Их результаты превзошли все предыдущие в миллионы раз. Теперь нет сомнений, на какой частоте должен работать лазер в самых точных часах во Вселенной.
А при чем же тут система глобальной навигации? Многие, наверное, слышали, что гравитация меняет ход времени. Часы, расположенные ближе к массивному объекту, например, к планете, звезде или черной дыре, будут идти медленнее по сравнению с часами, находящимися дальше от объекта. Это не сбой механизма часов — само время вблизи массивного объекта течет медленнее. Так вот, ядерные часы смогут чувствовать эту разницу при изменении высоты на один миллиметр у поверхности Земли. А гравитационное поле нашей планеты на таких порядках очень неоднородно. И если построить точную гравитационную карту планеты, с ее помощью можно будет путешествовать практически вслепую.
«Сейчас активно разрабатываются системы альтернативной навигации по гравитационным полям. Ведь Глобальная навигационная спутниковая система достаточно капризна. Мы должны видеть как минимум четыре спутника. Еще и от погодных условий многое зависит. Гравитационные поля от этого не зависят. Все упирается в ту точность, с которой мы можем определять гравитационный потенциал. Поэтому ядерный стандарт частоты, который обладает уникальными точностными характеристиками, конечно, приобретает огромное значение», — гл. научный сотрудник Всероссийского НИИ физико-технических и радиотехнических измерений, д.ф.-м.н. Виталий Пальчиков.
С помощью точных измерений неоднородностей земного притяжения также можно построить что-то вроде гравитационного металлоискателя. Ведь рудные месторождения имеют большую плотность, чем окружающие породы, соответственно, создают особые гравитационные возмущения.
Все это вполне реально, ведь ядерные часы, помимо всего прочего, будут гораздо более компактными и мобильными, чем существующие сейчас атомные.
«Если сравнивать, например, перевозимые стандарты частоты водородного типа, то основным элементом является так называемый квантовый дискриминатор. Там нужно предпринимать специальные, очень серьезные усилия для экранировки от внешнего магнитного поля Земли. А ядерный стандарт частоты, в отличие от атомного стандарта частоты, не нуждается в подобной экранировке. Он не чувствителен к таким эффектом, как эффекты излучения черного тела, взаимодействия с электрическим полем постоянным и переменным, взаимодействия с внешним магнитным полем», — Виталий Пальчиков.
Таким образом, компактные ядерные часы будут удобными для использования в самых сложных условиях.
И конечно, невозможно переоценить ценность такого прибора для фундаментальной науки.
У теоретиков давно есть гипотеза, что мировые константы, такие как скорость света в вакууме или постоянная Планка, могут быть не такими уж константами. Что они немного меняются во времени и пространстве. Это можно будет проверить с помощью ядерных часов. И они же помогут в поисках загадочной темной материи, на которую, по расчетам, приходится 5/6 всего вещества во Вселенной.
«Вот, допустим, у вас есть те самые ядерные часы, о которых мы сегодня говорили, и обычные атомные, с электронным переходом. Среди моделей темной материи есть аксион. Это очень легкая элементарная частица, она не взаимодействует с электронами, но взаимодействует с протонами, с нейтронами. Это означает, что если Земля влетает в поле, занятое темной материей, например, вот этими аксионами, ядро начинает с ними взаимодействовать, и вы видите, что раньше у вас часы были синхронизованы, но электронные как шли, так и идут, а ядерная частота ушла, часы пошли по-другому», — гл. научный сотрудник Физического института Академии наук, профессор МИФИ, д.ф.-м.н. Евгений Ткаля.
Реализация компактных ядерных часов на основе тория-229 для решения всех этих задач — это уже история нового 2025 года.
Рейтинг важнейших событий уходящего года в программе «Научные сенсации».
Мирный атом: от легендарной АЭС к ядерным технологиям будущего
Темная материя могла существовать до Большого взрыва, показало исследование