Революция в изучении главных сил в физике: ученые совершили прорыв в создании ядерных часов

Фото: Live Science

Физики впервые использовали лазер, чтобы перевести ядро атома тория на более высокий энергетический уровень. Это достижение открывает путь к разработке новых ядерных часов, которые будут не только более точными, но и могут произвести революцию в исследовании главных сил во Вселенной. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters, пишет Live Science.

Сейчас самыми точными часами в мире являются атомные. Они измеряют время, стреляя лазерами по электронам и сопоставляя частоту лазера с точными перемещениями между энергетическими уровнями. Таким образом ученые получают точную частоту колебаний, которые являются ходом атомных часов.

Но атомные часы не идеальны. Электроны, на которых они полагаются для отсчета времени, уязвимы для помех от магнитных полей или других воздействий окружающей среды, которые могут незначительно изменить их энергетические уровни, частоту лазерного света, а значит, и отсчет времени.

Ядерные часы будут использовать переходы между энергетическими состояниями ядер внутри атомов, поэтому они защищены от внешнего вмешательства. Но многие промежутки между энергетическими уровнями ядер в тысячи раз больше, чем у электронов, а значит, они очень большие, чтобы их могла преодолеть энергия лазера.

Еще 50 лет назад физики обнаружили, что изотоп торий-229 имеет энергетический уровень, который можно преодолеть с помощью лазерного света. Но найти именно этот энергетический промежуток оказалось непросто. Физики поместили торий-229 на более высокий энергетический уровень и измерили различия в энергии света межу уровнями.

За последние 50 лет физики сузили количество энергии, необходимой для того, чтобы вызвать перемещение на такой энергетический уровень до крошечных долей электрон-вольта, но этой точности все еще было недостаточно.

Чтобы уточнить точное значение ученые разместили примерно 10 в 17-й степени ядер тория-229 внутри кристаллов фторида кальция, что значительно увеличило вероятность найти нужный переход. После многих попыток физики увидели, как атом тория перемещается между энергетическими состояниями. Изменение энергии составило 8,35574 электрон-вольта.

Авторы исследования говорят, что потребуются годы для создания таких же точных ядерных часов, как и их атомные аналоги. Но это позволит лучше изучить природу темной энергии, темной материи и главных сил Вселенной.

По словам физиков, ядерные часы обеспечат чрезвычайно точное измерение разницы энергий между двумя связанными состояниями ядра атома. Эти две энергии связи являются результатом трех из четырех фундаментальных сил в физике: электромагнитного взаимодействия, сильного взаимодействия и слабого взаимодействия. Эти силы меняются в зависимости от времени или местоположения в пространстве, и ядерные часы должны это увидеть.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform