Proč vědci budují jaderné hodiny? Protože atomové hodiny nejsou dokonalé

Úkol budovat hodiny, které přesně udržují čas, je naprosto na rozdíl od hodinek. Normální hodiny nám velmi dobře pomáhají při každodenních praktických potřebách, ale vědecký výzkum a technologie založené na citlivých měřeních vyžadují hodiny, které dokážou měřit čas s maximální přesností. Vědci tedy vynalezli atomové hodiny - a přestože jsou přesnější při udržení času než běžné systémy, zůstal významný prostor pro zlepšení. Nyní se vědci pohybují z atomového světa do jaderného. V roce 2005 byla zveřejněna nová studie Příroda ukazuje, že němečtí fyzici vyvinuli hodinku schopnou ztratit méně než desetinu sekundy každých 20 miliard let. To je - v závislosti na tom, jak se na to díváte - desetkrát lepší než současné atomové technologie

Než však zopakujeme atomové hodiny zastaralé, podívejme se na to, co je odlišuje od předků kyvadla.

Každý čas používá rezonátor pro sledování času. Rezonátor je mechanismus, který v zájmu zjednodušení pravidelně „zaklíná“. Staré hodiny používaly kyvadlo a převody jako rezonátor. Digitální hodiny používají jako rezonátor oscilace na vedení nebo křemenné krystaly. Atomové hodiny vezmou tuto myšlenku nemnoho kroků kupředu tím, že používá resonanční frekvence atomů sám jako resonator. V tomto systému je rezonátor regulován elektromagnetickým zářením emitovaným kvantovým přechodem atomu. Jinými slovy, atomové hodiny sledují čas měřením energetických změn v atomové částici.

U některých prvků a jejich izotopů se to děje na konzistentních frekvencích. Například Cesium-133 osciluje na přesně 9,192,631,770 cyklů za sekundu. Proto byla v roce 1955 v Národním fyzikálním laboratoři ve Velké Británii použita k výstavbě prvních atomových hodin.

Od té doby, množství technologických pokroků vedlo k přesnějším atomovým hodinám - včetně laserového chlazení a zachycení atomů, přesnější laserové spektroskopie, a zjišťovat jiné izotopové elementy, které vykazují ještě více konzistentní rezonanční frekvence. Současný držák záznamu pro nejpřesnější atomové hodiny základny na ytterbium iontech.

Důvod, proč jsou atomové hodiny tak kritické, souvisí s tím, že hodiny měří čas v různých výškách. Čím déle jsou hodiny od hlavního zdroje gravitace, tím rychleji plyne čas (tj. Hodiny budou běžet rychleji na Mount Everest než na hladině moře). Rozdíl je zdánlivě zanedbatelný, ale může se sčítat, jak plyne více času.

Tolik našich technologií dnes funguje jako globální aplikace, jako je GPS. Aby bylo zajištěno, že běží ve stejnou dobu bez ohledu na to, kde je někdo, musí být vázány přímo na přesné hodiny. Neexistuje lepší způsob, jak zajistit, že než standardně použijete atomové hodiny. V poslední studii německý výzkumný tým nastiňuje myšlenku přímo měřit oscilace samotného atomového jádra prvku (na rozdíl od elektronů obklopujících jádro). Atomové hodiny založené na této konstrukci by se mohly vyhnout vlivu vnějších sil. Výzkumný tým identifikuje stav excitace v izotopu thoria, Th-229 m, který by mohl fungovat - a ilustruje experimentální nálezy, které tento pojem podporují.

Je tu jen jeden problém: Th-229m se přirozeně nevyskytuje. Přestože výsledky nové studie jsou přesto impozantní, není zcela jasné, jak mohou výzkumníci sklízet dostatek Th-229 m na stavbu a údržbu jaderných hodin. Výzkumníci v tomto případě odvodili Th-229m použitím uranu-233 jako zdroje. Není to snadný proces.

Pokud vědci zjistí, jak řešit tento malý problém a vytvořit udržitelné množství Th-229 m, díváme se na novou generaci atomových hodin, která bude nepochybně hrát významnou roli, protože budujeme stále více technologií, které pokrývají celý svět a slouží lidem v každém koutě světa.