„Un vis devenit realitate”: descoperirea ceasului nuclear ar putea revoluționa studiul forțelor fundamentale ale universului

Oamenii de știință au făcut o descoperire majoră care ne duce cu un pas mai aproape de dezvoltarea unui ceas nuclear – un dispozitiv care păstrează timpul pe baza funcționării interioare a atomi.

Pentru prima dată, fizicienii au folosit lumina laser pentru a ridica nucleul unui atom de toriu la un nivel de energie mai ridicat. Descoperirea deschide calea pentru dezvoltarea unui nou ceas ale cărui ticăituri nu sunt doar mai precise, dar pot sonda cele mai fundamentale forțe din univers.

Cercetătorii și-au publicat concluziile pe 29 aprilie în jurnal Scrisori de revizuire fizică.

„Văzând primul semnal a fost un vis devenit realitate”, cercetător principal Thorsten Schumm, profesor de metrologie cuantică la Universitatea de Tehnologie din Viena, a declarat pentru Live Science. “[It’s] recompensa pentru mulți ani de pregătire, în timp ce ne îndoim dacă acest lucru va funcționa vreodată”.

Despre timp

În prezent, nostru ceasurile cele mai precise sunt atomice și păstrați timpul trăgând lasere către electroni – potrivind frecvența laserului cu salturile precise de-a lungul nivelurilor de energie pe care le provoacă electronii care orbitează atomii. Această metodă oferă oamenilor de știință o măsurare ultraprecisă a frecvenței laserului, din care pot extrage „ticul” ceasului atomic.

Cu toate acestea, ceasurile atomice sunt departe de a fi perfecte. Electronii pe care se bazează pentru a menține timpul stau în afara atomilor. Prin urmare, ele sunt vulnerabile la interferența de la pierderi campuri magnetice sau alte efecte de mediu care le pot modifica subtil nivelurile de energie, frecvența luminii laser la care răspund ulterior și, prin urmare, timpul pe care îl păstrează.

Legate de: „Cristalul timpului” de altă lume, realizat în computerul cuantic Google, ar putea schimba fizica pentru totdeauna

Un ceas nuclear, pe de altă parte, ar folosi tranzițiile energetice ale nucleelor ​​din interiorul inimii unui atom, astfel încât acestea sunt protejate de interferența exterioară. Dar multe dintre decalajele dintre nivelurile de energie ale nucleelor ​​sunt de mii de ori mai mari decât cele pentru electroni – ceea ce înseamnă că sunt prea mari pentru a fi traversate cu energia unui laser.

Dar în anii 1970, oamenii de știință au descoperit că un izotop, sau o versiune, a elementului toriu (toriu-229) părea să aibă un nivel de energie care ar putea fi acoperit de lumina laser.

Dar găsirea acestui decalaj energetic precis nu a fost o sarcină simplă. Inițial, cercetătorii au excitat toriu-229 la un nivel de energie mult peste cele două care îi interesau de fapt fizicienii. Apoi au măsurat diferențele subtile în energia luminii emise atunci când aceasta a scăzut înapoi la cea mai mare în comparație cu cea de sub ea. .

Cercetătorii au comparat acest proces cu găsirea înălțimii unei borduri prin scăparea de mingi dintr-un zgârie-nori – diferențele subtile de înălțime de săritură atunci când mingea lovește strada și când lovește trotuar îi pot ajuta să se concentreze pe distanța mică dintre ele.

În ultimii 50 de ani, cercetările au redus energia necesară pentru a provoca saltul acestui nivel de energie la fracțiuni mici de electron volt — dar această precizie încă nu era suficientă.

„Teoria ne spune că era undeva în intervalul de energie între 0eV și 10 eV, dar trebuie să atingem frecvența potrivită cu o precizie de 7 până la 8 cifre pentru a produce un efect”, a spus Schumm. „Scanarea întregului interval de căutare ar dura milenii, așa că a trebuit să restrângem intervalul de căutare pe parcursul a mulți ani de experimente pregătitoare”.

Pentru a se concentra în sfârșit asupra valorii precise, Schumm și echipa sa au prins aproximativ 10 la puterea a 17 nuclee de toriu-229 (sau de un milion de ori mai multe nuclee decât există stele din galaxia noastră) în interiorul cristalelor de fluorură de calciu, ceea ce a crescut foarte mult probabilitatea de a găsi tranziția dorită. După multe încercări, cercetătorii au observat direct un atom de toriu sărind între nivelurile de energie: o schimbare de energie de 8,35574 electroni volți.

Cercetătorii notează că va dura mai mulți ani pentru a dezvolta ceasuri nucleare cu aceeași precizie ca omologii lor atomici. Dar odată ce această tranziție a fost observată în sfârșit, fereastra a fost în sfârșit deschisă și ar putea permite fizicienilor să cerceteze mai profund natura evazivă a energie întunecată, materie întunecată și forțele fundamentale ale universului nostru.

„Ceasul nuclear va oferi o măsurare extrem de precisă a diferenței de energie dintre două stări legate ale nucleului”, a spus Schumm. „Aceste două energii de legare sunt rezultatul a trei din cele patru forțe fundamentale ale fizicii: electromagnetismul, forță nucleară puternică, și forța nucleară slabă. Acest lucru este în contrast cu toate ceasurile atomice, care se bazează numai pe electromagnetism. Dacă una dintre aceste trei forțe fundamentale se schimbă în funcție de timp sau locație în spațiu, ceasul nuclear ar trebui să vadă acest lucru.”

Ben Turner este un scriitor cu sediul în Marea Britanie la Live Science. El acoperă fizică și astronomie, printre alte subiecte precum tehnologia și schimbările climatice. A absolvit University College London cu o diplomă în fizica particulelor înainte de a se pregăti ca jurnalist. Când nu scrie, lui Ben îi place să citească literatură, să cânte la chitară și să se facă de rușine cu șahul.