Как да накараме ядрен часовник да тиктака

От Кейлъб Дейвис

Торстен Шюм е часовникар, но не от онези, които седят пред работна маса, покрита с пружинки и колелца, с увеличителна лупа, втъкната в едното око. Не, изработва уред за измерване на времето, който е от съвсем различна класа.

Атомните часовници може да звучат достатъчно познато — но ако изследванията на Шюм вървят по план, те могат да доведат до създаването на ядрен часовник. И вместо само да показва часа, той може да помогне за разгадаването на някои от най-добре пазените тайни на вселената.

„Това е все още мечта”, казва Шюм, професор във Виенския технологичен университет в Австрия. „Никой не знае как да го направи”.

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

Част от секундата

В основата на часовника може да лежи всяко нещо, което трепти на равни интервали и може да се отчита. Първите часовници били механични. Много ръчни часовници днес използват електромеханичните трептения на кварцовия кристал.

Часовниковата технология обаче премина на по-високо ниво през 50-те години на миналия век с появата на атомните часовници.

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 извършват тези електрони.

Това става по следния начин. Електроните могат да абсорбират порция енергия, която ги придвижва от „основно” във „възбудено състояние” с повече енергия. Те могат след това да се върнат в основното си състояние, като освобождават тази порция енергия по пътя надолу.

Тези енергийни преходи възникват с определена честота, която може да се използва за отчитане на времето. Всичко това се случва изумително бързо.

Една секунда например официално се дефинира като 9 192 631 770 трептения на порция енергия, която възбужда атом на цезий 133.

Атомните часовници са прецизни, тъй като произвеждат ужасно много трептения, или „тиктакания”. Ето защо, ако отчитащият механизъм пропусне едно или две от тях, това по принцип не е голям проблем, когато те са повече от 9 милиарда в секунда.

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

Но, както заявява Шюм, работата по създаване на работещ ядрен часовник продължава.

Щастливо съвпадение

Интересът му към решаването на ядрената мистерия възникнал отчасти по случайност.

Оказва се, че рядък изотоп на елемента торий 229 е най-лесният материал, от който може да се изгради ядрен часовник. Това е така, защото се счита, че той е с най-бавните „тиктакания” от всички ядра. Освен това институтът, където Шюм работи, е едно от малкото места, които имат достъп до този материал.

Торий 229 не се среща в естествено състояние. Той се добива само от ядрения разпад на определени видове уран.

Виенският технологичен университет има споразумение с Националната лаборатория в Оукридж, САЩ, което му дава възможност да получава известни количества торий 229 от остатъци на уран, използван при ядрени опити преди десетилетия.

От вниманието на Шюм не убягва фактът, че собственото му име и името на елемента произлизат от това на митичния скандинавски бог Тор.

„Това раздразни въображението ми”, казва той.

Крайно време е

От 2020 г. Шюм провежда фундаментални изследвания за създаване на ядрен часовник в рамките на финансирания от ЕС проект ThoriumNuclearClock, който ще продължи до началото на 2026 г.

Той и колегата му, професор Екерхард Пайк от Националния метрологичен институт на Германия в Брауншвайг, са главни изследователи, заедно с Мариана Сафронова от университета на Делауеър в САЩ и Петер Тироф от Мюнхенския университет „Лудвиг и Максимилиан” (LMU) в Германия.

За да започне ядреният часовник да „тиктака”, той трябва да получи подтик от лазерна система точно на правилното енергийно ниво. За повечето ядра обаче необходимата енергийна честота е далеч от достъпната с настоящите лазерни технологии.

Ядрото на торий 229 е едно от най-големите стабилни ядра, които съществуват. Смятало се е, че то може да приеме състояние с много ниско ниво на енергия, което настоящите лазери могат да достигнат — макар че никой не разбира точно как и защо прави това.

„Като начало, дори не бе много ясно дали това състояние на торий 229 съществува”, казва Шюм.

Сега се знае, че то съществува. През 2020 г. Шюм и негови колеги публикуваха измерване на енергийното ниво на изотопа. Оттогава те продължават да градят върху това знание.

Всичко това открива пътя за реално изпитване на часовника. Шюм и колегите му изследователи работят върху изграждането на лазер, който е специално проектиран да възбужда тория точно на правилната честота.

Скоро те планират 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 експеримент, тъй като това не е правено никога преди това”, казва Пайк. „Ние, както и други, сме опитвали подобни експерименти с торий 229 в миналото, но без успех. Този път мислим, че сме много по-добре подготвени”.

Кристално ясно

За тези експерименти атомите на тория ще бъдат задържани в уловители на атоми — а това е много деликатна задача. В началото на работата му с ThoriumNuclearClock Шюм ръководи двугодишен проект, финансиран от ЕС, наречен CRYSTALCLOCK, чиято цел е да разработи по-опростена конструкция и механизъм за отчитане на един ядрен часовник.

Идеята бе да се създаде кристал, съставен от калциев флуорид, в който да бъдат разпръснати атоми на торий 229. Това осигурява твърд материал, с който е много по-лесно да се работи, отколкото с уловители на атоми.

Шюм и колегите му, включително д-р Томас Сикорски, публикуват статия, в която се демонстрира, че тези кристали с добавен торий може да се добиват през 2022 г. Следващата стъпка ще бъде да се разбере как може да се отчита „тиктакането” на тези кристали.

Според Шюм техниката, наречена ядрена томография, може да бъде адаптирана за тази цел и целият процес ще бъде много по-лесен, отколкото използването на атоми на тория в уловители.

Природни сили

Всички тези усилия имат смисъл не защото са необходими по-прецизни часовници, а защото може да се подложи на изпитване фундаменталното разбиране на човечеството за това как функционира реалността.

Най-добрите теории на физиката обясняват, че във вселената има четири фундаментални сили: гравитация, електромагнетизъм, малка ядрена сила и голяма ядрена сила. Въздействието на тези сили е известно, а съответните числа често се наричат фундаментални „константи”.

Не се знае обаче дали взаимодействието на тези сили е било и ще бъде винаги едно и също. Има признаци, че силите са били много по-интензивни в далечното минало, около Големия взрив, и че е възможно все още те да се променят, макар и с много малко.

Атомните и ядрените часовници може да направят възможно това да се подложи на изпитване. „Тиктакането” на атомния часовник се влияе предимно от електромагнитното взаимодействие, така че ако скоростта на тиктакането започне да се променя, това ще означава промяна в основната сила.

Електромагнетизмът обаче е много слаб, ето защо атомните часовници, въпреки невероятната им точност, може никога да не са в състояние да уловят тази промяна.

За разлика от тях „тиктакането” на ядрените часовници се влияе от голямата сила. Ето защо, ако и когато бъде създаден ядрен часовник, той може да се използва, за да се проследява дали има промени в голямата сила в рамките на определени периоди от време.

„Преходът от атоми към ядра не се прави, за да имаме по-добър часовник”, казва Шюм. „В действителност, има вероятност първият ядрен часовник да не бъде толкова добър, колкото най-добрите атомни часовници. Смисълът е повече в това да имаме изцяло нова технология, с която може основно да се изпита голямата сила”.

Изследванията в тази статия са финансирани от Европейския научноизследователски съвет (ЕНС) и действието „Мария Склодовска-Кюри“ (МСК) на ЕС. Тя е публикувана за първи път в  Horizon, списанието за изследвания и иновации на ЕС.