Ядрените часовници могат да се окажат ключ към разгадаване на

Ядрените часовници могат да се окажат ключ към разгадаване на тайните на вселената
(снимка: CC0 Public Domain)

От Кейлъб Дейвис

Торстен Шюм е часовникар, само че не от тези, които седят пред работна маса, покрита с пружинки и колелца, с увеличителна лупа, втъкната в едното око. Не, създава апарат за премерване на времето, който е от напълно друга класа.

Атомните часовници може да звучат задоволително познато — само че в случай че проучванията на Шюм вървят по проект, те могат да доведат до основаването на нуклеарен часовник. И вместо единствено да демонстрира часа, той може да помогне за разгадаването на някои от най-добре защитаваните секрети на вселената.

„ Това е към момента фантазия ”, споделя Шюм, професор във Виенския софтуерен университет в Австрия. „ Никой не знае по какъв начин да го направи ”.

Неговото желание е да промени това и, в хода на процеса, да хвърли светлина върху някои от фундаменталните взаимоотношения в природата.

Част от секундата

В основата на часовника може да лежи всяко нещо, което трепти на равни шпации и може да се регистрира. Първите часовници били механични. Много ръчни часовници през днешния ден употребяват електромеханичните вибрации на кварцовия кристал.

Часовниковата технология обаче мина на по-високо равнище през 50-те години на предишния век с появяването на атомните часовници.
още по темата
Атомите се състоят от ядро, заобиколено от движещ се в орбита облак от електрони. Тактът на отмерване на атомния часовник зависи от „ квантовите преходи ”, които правят тези електрони.

Това става по следния метод. Електроните могат да всмукват порция сила, която ги придвижва от „ главно ” във „ възбудено положение ” с повече сила. Те могат по-късно да се върнат в главното си положение, като освобождават тази порция сила по пътя надолу.

Тези енергийни преходи пораждат с избрана периодичност, която може да се употребява за отчитане на времето. Всичко това се случва удивително бързо.

Една секунда да вземем за пример публично се дефинира като 9 192 631 770 вибрации на порция сила, която възбужда атом на цезий 133.

Атомните часовници са прецизни, защото създават извънредно доста вибрации, или „ тиктакания ”. Ето за какво, в случай че отчитащият механизъм пропусне едно или две от тях, това по принцип не е огромен проблем, когато те са повече от 9 милиарда в секунда.

Ядрените часовници са разнообразни. „ Тиктакането ” не зависи от електроните, а по-скоро от вибрациите на самото ядро. Те са неведнъж по-бързи от „ тиктаканията ” на електронните преходи.

Но, както декларира Шюм, работата по основаване на работещ нуклеарен часовник продължава.

Щастливо съвпадане

Интересът му към решаването на нуклеарната тайнственост зародил частично по случайност.

Оказва се, че необичаен изотоп на детайла торий 229 е най-лесният материал, от който може да се построи нуклеарен часовник. Това е по този начин, тъй като се смята, че той е с най-бавните „ тиктакания ” от всички ядра. Освен това институтът, където Шюм работи, е едно от дребното места, които имат достъп до този материал.

Торий 229 не се среща в естествено положение. Той се добива единствено от нуклеарния разпад на избрани типове уран.

Виенският софтуерен университет има съглашение с Националната лаборатория в Оукридж, Съединени американски щати, което му дава опция да получава известни количества торий 229 от останки на уран, употребен при нуклеарни опити преди десетилетия.

От вниманието на Шюм не убягва фактът, че личното му име и името на детайла произлизат от това на митичния скандинавски господ Тор.

„ Това раздразни въображението ми ”, споделя той.

Крайно време е

От 2020 г. Шюм организира фундаментални проучвания за основаване на нуклеарен часовник в границите на финансирания от Европейски Съюз план, който ще продължи до началото на 2026 г.

Той и сътрудника му, професор Екерхард Пайк от Националния метрологичен институт на Германия в Брауншвайг, са основни откриватели, дружно с Мариана Сафронова от университета на Делауеър в Съединени американски щати и Петер Тироф от Мюнхенския университет „ Лудвиг и Максимилиан ” (LMU) в Германия.

За да стартира нуклеарният часовник да „ тиктака ”, той би трябвало да получи повод от лазерна система навръх вярното енергийно равнище. За множеството ядра обаче нужната енергийна периодичност е надалеч от наличната с актуалните лазерни технологии.

Ядрото на торий 229 е едно от най-големите постоянни ядра, които съществуват. Смятало се е, че то може да одобри положение с доста ниско равнище на сила, което актуалните лазери могат да доближат — въпреки че никой не схваща тъкмо по какъв начин и за какво прави това.

„ Като начало, даже не бе доста ясно дали това положение на торий 229 съществува ”, споделя Шюм.

Сега се знае, че то съществува. През 2020 г. Шюм и негови сътрудници разгласиха. Оттогава те не престават да градят върху това познание.

Всичко това открива пътя за действително изпитване на часовника. Шюм и сътрудниците му откриватели работят върху построяването на лазер, който е особено планиран да възбужда тория навръх вярната периодичност.

Скоро те възнамеряват да насочат този лазер към уловени атоми на тория за пръв път, в опит да задействат „ тиктакането ” им.

„ Много се вълнуваме за резултата от този опит, защото това не е правено в никакъв случай преди този момент ”, споделя Пайк. „ Ние, както и други, сме опитвали сходни опити с торий 229 в предишното, само че без триумф. Този път мислим, че сме доста по-добре готови ”.

Кристално ясно

За тези опити атомите на тория ще бъдат арестувани в уловители на атоми — а това е доста деликатна задача. В началото на работата му с ThoriumNuclearClock Шюм управлява двугодишен план, финансиран от Европейски Съюз, наименуван, чиято цел е да създаде по-опростена структура и механизъм за отчитане на един нуклеарен часовник.

Идеята бе да се сътвори кристал, формиран от калциев флуорид, в който да бъдат разпръснати атоми на торий 229. Това обезпечава корав материал, с който е доста по-лесно да се работи, в сравнение с с уловители на атоми.

Шюм и сътрудниците му, в това число доктор Томас Сикорски, разгласяват. Следващата стъпка ще бъде да се разбере по какъв начин може да се регистрира „ тиктакането ” на тези кристали.

Според Шюм техниката, наречена нуклеарна томография, може да бъде приспособена за тази цел и целият развой ще бъде доста по-лесен, в сравнение с потреблението на атоми на тория в уловители.

Природни сили

Всички тези старания имат смисъл не тъй като са нужни по-прецизни часовници, а тъй като може да се подложи на изпитване фундаменталното схващане на човечеството за това по какъв начин действа действителността.

Най-добрите теории на физиката изясняват, че във вселената има четири фундаментални сили: гравитация, електромагнетизъм, дребна нуклеарна мощ и огромна нуклеарна мощ. Въздействието на тези сили е известно, а съответните цифри постоянно се назовават фундаментални „ константи ”.

Не се знае обаче дали взаимоотношението на тези сили е било и ще бъде постоянно едно и също. Има признаци, че силите са били доста по-интензивни в далечното минало, към Големия гърмеж, и че е допустимо към момента те да се трансформират, въпреки и с доста малко.

Атомните и нуклеарните часовници може да създадат допустимо това да се подложи на изпитване. „ Тиктакането ” на атомния часовник се въздейства най-вече от електромагнитното взаимоотношение, тъй че в случай че скоростта на тиктакането стартира да се трансформира, това ще значи смяна в главната мощ.

Електромагнетизмът обаче е доста слаб, ето за какво атомните часовници, макар невероятната им акуратност, може в никакъв случай да не са в положение да уловят тази смяна.

За разлика от тях „ тиктакането ” на нуклеарните часовници се въздейства от огромната мощ. Ето за какво, в случай че и когато бъде основан нуклеарен часовник, той може да се употребява, с цел да се наблюдава дали има промени в огромната мощ в границите на избрани интервали от време.

„ Преходът от атоми към ядра не се прави, с цел да имаме по-добър часовник ”, споделя Шюм. „ В реалност, има възможност първият нуклеарен часовник да не бъде толкоз добър, колкото най-хубавите атомни часовници. Смисълът е повече в това да имаме напълно нова технология, с която може главно да се изпита огромната мощ ”.

Изследванията в тази публикация са финансирани от Европейския научноизследователски съвет (ЕНС) и действието „ Мария Склодовска-Кюри “ (МСК) на Европейски Съюз. Тя е оповестена за първи път в  , списанието за проучвания и нововъведения на Европейски Съюз.