Čovečanstvo je na korak od stvaranja nuklearnog sata! Posledice će biti neverovatne

Foto: Yon Marsh / Alamy / Alamy / Profimedia

Zamislite sat koji otkucava tako precizno da ne gubi ni sekund, čak ni nakon što radi milijardu godina. Naučnici su sada bliži nego ikad ostvarivanju tog nivoa preciznosti u merenju vremena, pokazuje novo istraživanje, prenosi CNN.

Takav uređaj bi daleko nadmašio mogućnosti atomskih satova, koji definišu trajanje jedne sekunde kroz kontrolisane energetske skokove u elektronima atoma i trenutno predstavljaju vrhunac preciznosti u merenju vremena. U atomskim satovima, signali koji pobuđuju atome osciluju na frekvenciji od milijardi puta u sekundi.

Preporučujemo

Istraživači su nedavno razvili tehniku koja bi mogla podići ovu preciznost, izazivajući i mereći oscilacije u još složenijem cilju: jezgru atoma. Za ovaj nuklearni sat, naučnici su koristili ultraljubičasto svetlo kako bi pobudili nuklearne čestice u atomu torijuma-229 ugrađenom u čvrstu kristalnu strukturu. Zatim su merili frekvenciju energetskih impulsa koji utiču na jezgro — ekvivalent klatnu u običnom satu — brojeći talase u UV signalu pomoću alata zvanog "češalj optičke frekvencije".

Izazivanje energetskih skokova u jezgru zahteva signal znatno veće frekvencije nego kod atomskih satova. Sa više ciklusa talasa u sekundi, ovaj pristup bi trebalo da omogući preciznije merenje vremena.

I dok je nuklearni sat još u razvoju, jednom kada bude realizovan, mogao bi transformisati ne samo merenje vremena, već i proučavanje fizike, pa čak i uticati na način na koji naučnici istražuju strukturu Svemira. Prototip je već jednako precizan kao atomski sat, a očekuje se da buduće verzije budu još preciznije i stabilnije, prema istraživanju objavljenom 4. septembra u časopisu "Nature".

Sada kada su istraživači pokazali da je moguće proizvesti i meriti ove signale, "postoji mnogo stvari koje možemo unaprediti kako bismo dodatno povećali tačnost", rekao je glavni autor studije Čuankun Žang, student postdiplomskih studija u JILA — zajedničkom istraživačkom centru koji finansiraju Univerzitet Kolorado u Bolderu i Nacionalni institut za standarde i tehnologiju.

Na primer, Žang je rekao za CNN, prilagođavanja bi mogla uključivati podešavanje usklađenosti i frekvencije lasera koji pobuđuju jezgro.

- Ovaj rad zaista označava početak nuklearnog sata - rekla je dr Olga Kočarovskaja, istaknuti profesor fizike na Univerzitetu Texas A&M, koja nije bila uključena u istraživanje.

U 2023. godini, Kočarovskaja i drugi istraživači testirali su jezgra atoma skandijuma-45 kao moguće kandidate za nuklearni sat. Tada su ti atomi proizveli najsnažniji energetski prelaz — i merljiv impuls — ikada viđen u jezgru, ali novi rezultati iz torijuma-229 generisali su snažniji signal i bili stabilniji, rekla je Kočarovskaja za CNN.

„Šire značenje je u poverenju koje ovaj rad daje realnosti nuklearnog sata“, rekla je. „Ne ostavlja sumnje da je takav sat izvodljiv i da će uskoro biti napravljen.“

Merenje vremena

U atomskim satovima, elektroni atoma bivaju pobuđeni elektromagnetnim zračenjem na određenim frekvencijama. Energetski impulsi pobuđuju elektrone, pomerajući ih u višu orbitu oko atoma. Oscilacije koje pokreću prelaz elektrona između stanja označavaju protok vremena, prema NASA-i.

Pouzdanost atomskih satova daleko je veća nego kod svakodnevnih satova koji mere sekunde kroz vibracije kvarcnih kristala, koji su skloni gubitku sinhronizacije. Decenijama se atomski satovi koriste u GPS tehnologijama, za istraživanje svemira i održavanje međunarodnog vremena.

Međutim, atomski satovi su takođe podložni gubitku sinhronizacije. Elektromagnetni poremećaji mogu ometati pobuđene elektrone i uticati na preciznost merenja vremena, rekao je Zhang.

Čestice u atomskoj jezgri, s druge strane, teže je "uznemiriti" nego elektrone. Protoni i neutroni su čvrsto vezani jakom nuklearnom silom — najjačom od svih osnovnih sila. Talasne dužine koje mogu izazvati prelaz u jezgri osciluju na višim frekvencijama, omogućavajući preciznije merenje vremena, naveli su istraživači.

Pre ovog istraživanja, postignuti su značajni koraci u razvoju nuklearnih satova. Prvi, 1976. godine, bio je otkriće da jezgro torijuma ima „jedinstveno nisku energiju“ i da se može pobuditi pomoću vakuumskog ultraljubičastog (VUV) laserskog svetla. Do 2003. godine, naučnici su predlagali da bi torijum, jer zahteva manje energije za pobuđivanje jezgra nego većina drugih tipova atoma, mogao biti dobar kandidat za nuklearne satove, prema studiji.

U 2023. godini, naučnici su razvili metodu za ugradnju torijuma-229 u kristale; ovaj čvrst sistem suprimirao je signale nuklearne dezintegracije, čineći željene signale lakšim za praćenje. Ranije ove godine, drugi istraživači su izmerili talasnu dužinu svetla potrebnu za pobuđivanje jezgra torijuma-229.

„Naš rad se nadovezuje na to“, rekao je Žang. „Uz naš izvor svetlosti sa frekventnim češljem i ovaj kristal, uspeli smo da pobudimo nuklearni prelaz i različite prelazne energije.“ Njihovi rezultati su bili približno milion puta precizniji od prethodnih merenja, dodao je Žang.

„Ova studija je pravi podvig“, rekao je dr Šimon Kolkovic, vanredni profesor i šef katedre za fiziku na Univerzitetu Kalifornije, Berkli.

„Kvalitet podataka i brzina kojom su postigli zapanjujuće rezultate u ovom novom rukopisu zaista su neverovatni“, rekao je Kolkovic, koji nije učestvovao u istraživanju. „Ovo predstavlja veliki korak napred u razvoju nuklearnih satova, na kojima fizičari rade decenijama.“

Revolucija u fizici

Preciznost i stabilnost atomskih satova već su omogućile naučnicima važne alate za proučavanje zemljotresa, gravitacionih polja i prostor-vremena. Ove oblasti bi mogle doživeti „veliki napredak“ zahvaljujući nuklearnim satovima, rekla je Kočarovskaja. Nuklearni satovi bi bili ne samo precizniji, već i jednostavniji i prenosiviji, jer za razliku od atomskih satova, ne bi zahtevali visoke vakuumske uslove, ekstremno hlađenje i snažno zaštitu od magnetnih i električnih smetnji, dodala je.

Sama studija fizike mogla bi biti revolucionisana upotrebom nuklearnih satova zajedno sa atomskim satovima, prema Žangu. Praćenje i poređenje odnosa frekvencija između dve vrste satova tokom vremena moglo bi pomoći naučnicima da utvrde da li su osnovne fizičke konstante zaista konstantne ili se menjaju na nivoima koji su ranije bili previše minijaturni da bi se merili, rekao je |ang.

Ova tehnika uparivanja satova mogla bi biti revolucionarna za proučavanje tamne materije, misteriozne supstance koja čini 80% svemira, ali nikada nije direktno izmerena, dodao je.

Neki naučnici su dali hipotezu da tamna materija stupa u interakciju sa česticama kao što su elektroni, kvarkovi i gluoni, ali u količinama koje su trenutno nedetektabilne.

„Želimo da vidimo da li tamna materija može na neki način interagovati sa jezgrom atoma na drugačiji način u poređenju sa orbitom elektrona u atomu“, rekao je |hang. „Ako se odnos frekvencija prelaza nuklearnog sata i atomskog sata menja tokom vremena, to bi bio pokazatelj nove fizike.“

Iako ima još mnogo napretka pre nego što nuklearni satovi nadmaše performanse atomskih satova — ili ih zamene — ova otkrića nagoveštavaju da takvo vreme nije daleko, rekao je Kolkovic.

„Kako se razvijaju bolji izvori UV lasera i kako se otkriju neki od trikova nuklearnih satova, očekujem da će na kraju neka od vrsta eksperimenata koje trenutno radimo u mojoj laboratoriji za testiranje relativnosti i traženje nove fizike sa atomskim satovima umesto toga biti izvedena sa nuklearnim satovima“, rekao je Kolkovic.

(Telegraf Nauka/CNN)