Artėjame prie senos svajonės įgyvendinimo – branduolinių laikrodžių: būtų 10 kartų tikslesnis už atominius, pagerintų GPS ir net atskleistų Visatos paslaptis

Atominiai laikrodžiai laiką skaičiuoja naudodami atomų elektronų energijos šuolius. Pagal kvantinę fiziką atomų elektronai gali pernešti tik tam tikrą energijos kiekį tam tikruose energijos lygmenyse. Kad atomo elektronai pereitų iš vieno energijos lygio į kitą, į atominio laikrodžio atomus turi pataikyti reikiamo dažnio lazerio šviesa. Šis dažnis – šviesos elektromagnetinių bangų svyravimo greitis – yra labai tikslus laiko matuoklis.

Energijos lygmenų šuoliai

Kaip ir atomo elektronai, atomo branduolių protonai ir neutronai taip pat užima atskirus energijos lygmenis. Branduoliniai laikrodžiai būtų paremti šuoliais tarp šių branduolių energijos lygmenų, o ne elektronų energijos lygmenų. Pažymėtina, kad branduoliai yra atsparūs klaidžiojančių elektrinių ar magnetinių laukų poveikiui, kuris gali trukdyti atominiams laikrodžiams.

Tačiau yra problema. Norėdami skaičiuoti laiką su branduoliais, mokslininkai turi sugebėti lazeriu sukelti šuolį tarp branduolių energijos lygmenų.

„Branduoliniai lygmenys paprastai lazeriais nepasiekiami“, – birželio 2 d. susitikime kalbėjo Delavero universiteto fizikė teoretikė Marianna Safronova. Daugumai branduolių tam reikėtų didesnės energijos šviesos, nei gali pasiekti tinkami lazeriai. Laimei, tarp visų žinomų branduolių yra viena vienintelė išimtis, sakė Safronova, „gamtos išdaiga“. Torio atmaina, vadinama toriu-229, turi pakankamai artimų energijos lygmenų porą, kad lazeris potencialiai galėtų sukelti šuolį.

Naujausi matavimai leido tiksliau nustatyti šio šuolio energiją – tai labai svarbus žingsnis siekiant sukurti torio branduolinį laikrodį. 2020 m. žurnale „Physical Review Letters“ paskelbtame straipsnyje fizikas Andreasas Fleischmannas su kolegomis išmatavo kitus energijos šuolius, kuriuos gali atlikti torio branduolys, ir juos atėmę išskaičiavo branduolinio laikrodžio šuolio energiją.

Komandos sutaria, kad šuolio energija yra šiek tiek didesnė nei 8 elektronvoltai. Ši energija atitinka ultravioletinę šviesą tokiame diapazone, kuriame šuolio paleidimas lazeriu yra įmanomas, tačiau yra mokslininkų galimybių riba.

Branduoliniai laikrodžiai leistų mokslininkams sukurti naujus bandymus, kuriais būtų galima nustatyti, ar pagrindinės gamtos konstantos kinta laikui bėgant. Pavyzdžiui, kai kurie tyrimai rodo, kad galėtų keistis smulkiosios struktūros konstanta – skaičius, nustatantis elektromagnetinės sąveikos stiprumą. Arba jie galėtų ieškoti tamsiosios materijos – sunkiai aptinkamų dalelių, kurios, fizikų nuomone, sudaro didžiąją dalį visatos materijos ir kurios galėtų pakoreguoti laikrodžio tiksėjimą.