Φανταστείτε ένα ρολόι που δεν χάνει ούτε δευτερόλεπτο, ακόμη και μετά από 1 δισεκατομμύριο χρόνια λειτουργίας. Οι επιστήμονες είναι τώρα πιο κοντά από ποτέ στην επίτευξη αυτού του επιπέδου ακρίβειας χρονομέτρησης, όπως αποκαλύπτει νέα έρευνα.

Μια τέτοια συσκευή θα ξεπερνούσε κατά πολύ τις δυνατότητες των ατομικών ρολογιών, τα οποία καθορίζουν το διάστημα του δευτερολέπτου μέσω ελεγχόμενων ενεργειακών αλμάτων στα ηλεκτρόνια των ατόμων, και αποτελούν σήμερα το αποκορύφωμα της ακρίβειας για τη μέτρηση του χρόνου. Στα ατομικά ρολόγια, τα σήματα που διεγείρουν τα άτομα ταλαντώνονται σε συχνότητα δισεκατομμυρίων φορές ανά δευτερόλεπτο.

Οι ερευνητές ανέπτυξαν πρόσφατα μια τεχνική που θα μπορούσε να αυξήσει αυτή την ακρίβεια προκαλώντας και μετρώντας ταλαντώσεις σε έναν ακόμη πιο δύσκολο στόχο: Τον πυρήνα ενός ατόμου. Γι’ αυτό το πυρηνικό ρολόι, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν υπεριώδες φως για να διεγείρουν πυρηνικά σωματίδια σε ένα άτομο θορίου-229 ενσωματωμένο σε στερεό κρύσταλλο. Στη συνέχεια μέτρησαν τη συχνότητα των ενεργειακών παλμών που επηρεάζουν τον πυρήνα – το ισοδύναμο ενός εκκρεμούς σε ένα κανονικό ρολόι – μετρώντας τα κύματα στο υπεριώδες σήμα χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο που ονομάζεται οπτική χτένα συχνοτήτων.

Η πρόκληση ενεργειακών αλμάτων σε έναν πυρήνα απαιτεί ένα σήμα πολύ υψηλότερης συχνότητας από ό,τι απαιτείται για τα ατομικά ρολόγια. Με περισσότερους κύκλους κύματος ανά δευτερόλεπτο, η προσέγγιση αυτή αναμένεται να παρέχει ακριβέστερες μετρήσεις του χρόνου.

Εξέλιξη της φυσικής επιστήμης

Αν και η δημιουργία ενός πυρηνικού ρολογιού βρίσκεται σε εξέλιξη, όταν υλοποιηθεί θα μπορούσε να μεταμορφώσει όχι μόνο τη χρονομέτρηση αλλά και τη μελέτη της φυσικής, επηρεάζοντας ακόμη και τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες ερευνούν τη δομή του σύμπαντος. Το πρωτότυπο είναι ήδη τόσο ακριβές όσο ένα ατομικό ρολόι και οι μελλοντικές εκδόσεις αναμένεται να είναι ακόμη πιο ακριβείς και σταθερές, σύμφωνα με την έρευνα που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature.

Τώρα που οι ερευνητές έδειξαν ότι είναι δυνατόν να παραχθούν και να μετρηθούν αυτά τα σήματα, «υπάρχουν πολλά πράγματα που μπορούμε να προωθήσουμε για να βελτιώσουμε περαιτέρω την ακρίβεια», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Chuankun Zhang, μεταπτυχιακός φοιτητής στο JILA – ένα κοινό ερευνητικό κέντρο που χρηματοδοτείται από το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Μπόλντερ και το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας. «Αυτή η εργασία σηματοδοτεί πραγματικά την αυγή ενός πυρηνικού ρολογιού», δήλωσε η Olga Kocharovskaya, διακεκριμένη καθηγήτρια φυσικής στο Πανεπιστήμιο Texas A&M που δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Το 2023, η Kocharovskaya και άλλοι ερευνητές δοκίμασαν πυρήνες ατόμων σκανδίου-45 για τη δημιουργία ενός πυρηνικού ρολογιού. Εκείνη την εποχή, τα άτομα αυτά παρήγαγαν την πιο ισχυρή ενεργειακή μετάβαση – και τον πιο μετρήσιμο παλμό – που έχει παρατηρηθεί ποτέ σε πυρήνα, αλλά τα νέα αποτελέσματα από το θόριο-229 παρήγαγαν ισχυρότερο σήμα και ήταν πιο σταθερά, δήλωσε η Kocharovskaya στο CNN.

«Η ευρύτερη σημασία έγκειται στην εμπιστοσύνη που παρέχει αυτή η εργασία στην πραγματικότητα του πυρηνικού ρολογιού», είπε. «Δεν αφήνει καμία αμφιβολία ότι ένα τέτοιο ρολόι είναι εφικτό και θα κατασκευαστεί σύντομα».

Χρόνο με τον χρόνο

Στα ατομικά ρολόγια, τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου δέχονται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε συγκεκριμένες συχνότητες. Οι εκρήξεις ενέργειας διεγείρουν τα ηλεκτρόνια, ωθώντας τα σε υψηλότερη τροχιά γύρω από το άτομο. Οι ταλαντώσεις που προκαλούν τις μεταβάσεις των ηλεκτρονίων μεταξύ των καταστάσεων σηματοδοτούν το πέρασμα του χρόνου, σύμφωνα με τη NASA.

Η αξιοπιστία των ατομικών ρολογιών είναι πολύ μεγαλύτερη από ό,τι στα καθημερινά ρολόγια που μετρούν τα δευτερόλεπτα σε δονήσεις κρυστάλλων χαλαζία, οι οποίοι είναι επιρρεπείς στο να αποσυντονίζονται. Εδώ και δεκαετίες, τα ατομικά ρολόγια χρησιμοποιούνται σε τεχνολογίες GPS, για την εξερεύνηση του διαστήματος και για την τήρηση της διεθνούς ώρας.

Ωστόσο, τα ατομικά ρολόγια είναι επίσης ευάλωτα στην απώλεια συγχρονισμού. Οι ηλεκτρομαγνητικές διαταραχές μπορούν να διαταράξουν τα διεγερμένα ηλεκτρόνια και να επηρεάσουν την ακρίβεια της χρονομέτρησης, δήλωσε ο Zhang.

Τα σωματίδια στον πυρήνα ενός ατόμου, από την άλλη πλευρά, είναι πιο δύσκολο να ανακινηθούν από ό,τι τα ηλεκτρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια συνδέονται στενά μεταξύ τους με την ισχυρή πυρηνική δύναμη – την ισχυρότερη από όλες τις θεμελιώδεις δυνάμεις. Τα μήκη κύματος που μπορούν να προκαλέσουν τη μετάβαση ενός πυρήνα ταλαντώνονται σε υψηλότερες συχνότητες, επιτρέποντας ακριβέστερες μετρήσεις του χρόνου, ανέφεραν οι ερευνητές.

Διαβασε ακομα

Η ανθρωπότητα έγινε σκλάβος του ρολογιού, μέσα σε λίγα λεπτά

Πριν από αυτήν τη μελέτη, υπήρξαν αρκετές σημαντικές ανακαλύψεις για την ανάπτυξη πυρηνικών ρολογιών. Η πρώτη, το 1976, ήταν η ανακάλυψη ότι ο πυρήνας του θορίου ήταν «μοναδικά χαμηλής ενέργειας» και μπορούσε να οδηγηθεί σε μια διεγερμένη κατάσταση με τη χρήση υπεριώδους φωτός κενού, ή VUV, λέιζερ. Μέχρι το 2003, οι επιστήμονες πρότειναν ότι επειδή το θόριο απαιτούσε λιγότερη ενέργεια για τη διέγερση του πυρήνα του από ό,τι οι περισσότεροι άλλοι τύποι ατόμων, το ισότοπο θόριο-229 θα ήταν καλό για τα πυρηνικά ρολόγια, σύμφωνα με τη μελέτη.

Το 2023, οι επιστήμονες εισήγαγαν πρωτοποριακά μια μέθοδο ενσωμάτωσης του θορίου-229 σε κρυστάλλους – αυτό το σύστημα στερεάς κατάστασης κατέστειλε τα σήματα από την πυρηνική διάσπαση, καθιστώντας τα επιθυμητά σήματα ευκολότερο να εντοπιστούν. Νωρίτερα φέτος, άλλοι ερευνητές μέτρησαν το μήκος κύματος του φωτός VUV που απαιτείται για τη διέγερση του πυρήνα στο θόριο-229.

«Η εργασία μας βασίζεται σε αυτό», δήλωσε ο Zhang. «Με την πηγή φωτός χτένας συχνοτήτων και αυτόν τον κρύσταλλο, μπορέσαμε να διεγείρουμε την πυρηνική μετάβαση και τις διάφορες ενέργειες μετάβασης». Τα αποτελέσματά τους ήταν περίπου 1 εκατομμύριο φορές πιο ακριβή από προηγούμενες μετρήσεις, πρόσθεσε ο Zhang.

Επαναστατική φυσική

Η ακρίβεια και η σταθερότητα των ατομικών ρολογιών έχουν ήδη δώσει στους επιστήμονες σημαντικά εργαλεία για τη μελέτη των σεισμών, των βαρυτικών πεδίων και του χωροχρόνου. Αυτοί οι τομείς θα μπορούσαν να γνωρίσουν μία νέα «σημαντική ώθηση» από τα πυρηνικά ρολόγια, δήλωσε η Kocharovskaya.

Τα πυρηνικά ρολόγια θα ήταν όχι μόνο ακριβέστερα αλλά και απλούστερα και πιο φορητά, επειδή σε αντίθεση με τα ατομικά ρολόγια δεν θα απαιτούσαν συνθήκες υψηλού κενού, ακραία ψύξη και ισχυρή θωράκιση από μαγνητικές και ηλεκτρικές διαταραχές, είπε.

Η ίδια η μελέτη της φυσικής θα μπορούσε να φέρει επανάσταση με τη χρήση πυρηνικών ρολογιών παράλληλα με τα ατομικά ρολόγια, σύμφωνα με τον Zhang. Η παρακολούθηση και η σύγκριση των αναλογιών των συχνοτήτων στους δύο τύπους ρολογιών με την πάροδο του χρόνου θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να διαπιστώσουν αν οι θεμελιώδεις σταθερές της φυσικής είναι πραγματικά τόσο σταθερές όσο φαίνονται ή αν μετατοπίζονται σε επίπεδα που προηγουμένως ήταν πολύ μικρά για να μετρηθούν, δήλωσε ο Zhang.

Διαβασε ακομα

Από το πανεπιστήμιο Αθηνών μέχρι τη NASA, η αγάπη για τον ουρανό μένει ίδια

Αυτή η τεχνική των ζευγαρωμένων ρολογιών θα μπορούσε να αλλάξει τα δεδομένα για τη μελέτη της σκοτεινής ύλης, της μυστηριώδους ουσίας που αποτελεί το 80% του σύμπαντος, αλλά η οποία δεν έχει ποτέ μετρηθεί άμεσα, πρόσθεσε.

«Θέλουμε να δούμε αν η σκοτεινή ύλη θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει με τον ατομικό πυρήνα με ελαφρώς διαφορετικό τρόπο σε σύγκριση με την τροχιά των ηλεκτρονίων στο άτομο», δήλωσε ο Zhang. «Αν ο λόγος της συχνότητας μετάβασης του πυρηνικού ρολογιού και του ατομικού ρολογιού μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου, αυτό θα ήταν μια ένδειξη νέας φυσικής».

Τι ακολουθεί, λοιπόν, για τα πυρηνικά ρολόγια; Προς το παρόν, μόνο ο χρόνος θα δείξει.

Με πληροφορίες από CNN