Zašto znanstvenici grade nuklearni sat? Jer atomski satovi nisu savršeni

Zadatak izgradnje sata koji točno drži vrijeme je potpuno drugačiji od sata. Normalni satovi nam dobro služe za svakodnevne praktične potrebe, ali znanstvena istraživanja i tehnologija temeljena na osjetljivim mjerenjima zahtijevaju satove koji mogu precizno procijeniti protok vremena. Stoga su znanstvenici izumili atomske satove - i dok su točniji u vrijeme čuvanja od konvencionalnih sustava, ostalo je značajan prostor za poboljšanje. Sada se znanstvenici kreću od atomskog svijeta do nuklearnog. Nova studija objavljena u Priroda pokazuje da su njemački fizičari razvili sat koji može izgubiti manje od desetine sekunde svakih 20 milijardi godina. To je - ovisno o tome kako gledate - 10 puta bolje od trenutnih atomskih tehnologija

Ali prije nego što duboko zakopamo atomske satove, razmotrimo što ih čini drugačijima od predaka koji se mašu klatnom.

Svaki sat koristi rezonator za praćenje vremena. Rezonator je mehanizam koji, radi pojednostavljenja, redovito "krpelji". Stari satovi su koristili klatno i zupčanike kao rezonator. Digitalni satovi koriste oscilacije na dalekovodu ili kristal kvarca kao rezonator. Atomski sat uzima ovu ideju nekoliko koraka naprijed koristeći rezonantne frekvencije samih atoma kao rezonator. U ovom sustavu rezonator je reguliran elektromagnetskim zračenjem koje emitira kvantni prijelaz atoma. Drugim riječima, atomski sat prati vrijeme mjerenjem energetskih promjena u atomskoj čestici.

Za neke elemente i njihove izotope, to se događa na ujednačenim frekvencijama. Na primjer, cezij-133 oscilira točno 9,192,631,770 ciklusa u sekundi. Zato je 1955. godine korišten za izgradnju prvog atomskog sata u Nacionalnom fizikalnom laboratoriju u Velikoj Britaniji.

Od tada, brojna tehnološka dostignuća dovela su do preciznijih atomskih satova - uključujući lasersko hlađenje i hvatanje atoma, precizniju lasersku spektroskopiju i pronalaženje drugih izotopnih elemenata koji pokazuju još dosljednije rezonantne frekvencije. Aktualni rekorder za najtočnije atomske satove bazira na očitavanju iona iterbija.

Razlog zbog kojeg su atomski satovi toliko kritični odnosi se na činjenicu da satovi različito mjere vrijeme na različitim visinama. Što je sat veći od glavnog izvora gravitacije, to brže prolazi vrijeme (tj. Sat će teći brže na Mount Everestu nego na razini mora). Razlika je naizgled zanemariva, ali se može zbrojiti što više vremena prolazi.

Toliko naših tehnologija danas funkcionira kao globalne aplikacije, kao što je GPS. Kako bi se osiguralo da rade u isto vrijeme bez obzira gdje se netko nalazi, oni moraju biti izravno vezani za točan sat. Ne postoji bolji način da se osigura da se kao standard koriste atomski satovi. U najnovijoj studiji, njemački istraživački tim opisuje ideju izravno mjerenja oscilacija same atomske jezgre elementa (za razliku od elektrona koji okružuju jezgru). Atomski sat na temelju ovog dizajna mogao bi izbjeći utjecaj vanjskih sila. Istraživački tim identificira stanje ekscitacije u izotopu torija, Th-229m, koji bi mogao funkcionirati - i ilustrira eksperimentalne nalaze koji podržavaju ovaj pojam.

Postoji samo jedan problem: Th-229m se ne događa prirodno. Iako su rezultati nove studije ipak impresivni, nejasno je kako točno istraživači mogu skupiti dovoljno Th-229m za izgradnju i održavanje nuklearnog sata. Istraživači su Th-229m dobili u ovom slučaju koristeći izvor urana-233. To nije jednostavan proces.

Ako znanstvenici shvate kako riješiti taj mali problem i generiraju održivu količinu Th-229m, gledamo u novu generaciju atomskih satova koji će nesumnjivo odigrati važnu ulogu dok gradimo sve više i više tehnologije koja obuhvaća svijet i služi ljudima u svakom kutku svijeta.