С 1960-х годов атомные часы являются наиболее точными часами, доступными в настоящее время. В 1967 году был определен международный стандарт атомного времени. И с тех пор исследователи работают над тем, чтобы сделать атомные часы еще более точными.
Атомные часы измеряют время, подсчитывая колебания в секунду. Стандартные аналоговые наручные часы совершают около 5 колебаний в секунду. Стандарт атомного времени, установленный в 1967 году, имеет 9 192 631 770 колебаний.
Измерение осуществляется путем возбуждения атомов определенных элементов – отсюда и название атомные часы. Сегодня широко используются цезий и стронций. Если лазер поражает атомы с определенной частотой, электроны атомов переключаются между двумя состояниями. Это изменение и есть колебание атомных часов.
Однако со временем или из-за внешних воздействий частота лазера может измениться, в результате чего атомы будут облучены по-разному, что может привести к неточностям. Именно здесь в игру вступают атомные ядра. Они меньше атомов и менее восприимчивы к внешнему вмешательству.
Это стало возможным благодаря созданию в Венском технологическом университете кристалла размером менее миллиметра, содержащего квадриллион ядер тория. Такое большое количество ядер необходимо для получения сигнала, достаточно сильного для проведения измерений. Потому что атомное ядро имеет лишь около квадриллионной части общего объема атома.
«Для сравнения, большинство обычных атомных часов имеют только один атом», — говорит Торстен Шумм, ответственный за проект в Венском технологическом университете.
Проблема в том, что на всей планете чрезвычайно мало тория-229, всего несколько миллиграммов. Материал получен в США из запасов урана, которые до сих пор поступают в рамках американской программы создания ядерного оружия «Манхэттенский проект».
Приходится использовать чрезвычайно маленькие кристаллы. Кристалл размером менее миллиметра в каждом направлении изготавливается почти так же, как бриллиант для обручального кольца. Его вырезают и полируют.
«Он просто немного радиоактивный. Насколько я знаю, мы единственные, кто делает нечто подобное в Европе. Нет необходимости производить эти кристаллы про запас: период полураспада тория-229 составляет 8000 лет», — говорит Торстен Шумм.
Чтобы интегрировать кристалл в атомные часы, потребовались физические уловки. Атомные часы JILA используют лазерный свет в инфракрасном диапазоне. Ядра атомов тория нуждаются в излучении в УФ-диапазоне. Поэтому пришлось создать устройство для перевода лазерного света из инфракрасного в ультрафиолетовое.
Для этого используются ультракороткие инфракрасные импульсы, состоящие из ряда частот. Расстояние между частотами всегда одинаковое. Когда такой импульс попадает на газ ксенон, его атомы реагируют и излучают ультрафиолетовый свет – совершенно предсказуемым образом. Он ударяет по кристаллу тория с той силой, которая вызывает изменение состояния атомных ядер.
«Наши новые часы — это чрезвычайно точный способ измерения трех из четырех фундаментальных сил Вселенной», — говорит Шумм.
Фундаментальные силы (гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное ядерные взаимодействия), также называемые естественными константами, можно использовать для объяснения всего, что мы знаем и наблюдаем.
Однако теории предполагают, что эти силы со временем изменились или не одинаковы во всей Вселенной. Это означает, что раньше все атомы были немного больше или меньше. Если это удастся доказать и определить посредством точных измерений, откроются совершенно новые возможности и наконец-то будут решены загадки физики, включая темную энергию и темную материю. В настоящее время невозможно предвидеть, какие далеко идущие последствия это может иметь не только для исследований, но и для прогресса человечества.