Физики впервые продемонстрировали работоспособный прототип ядерных часов — принципиально нового устройства для сверхточного измерения времени. В отличие от современных атомных часов, которые используют переходы электронов между энергетическими уровнями атома, новая технология основана на процессах, происходящих непосредственно внутри атомного ядра.

Это достижение считается одним из самых важных прорывов в области метрологии последних десятилетий. Исследователи полагают, что в будущем ядерные часы смогут превзойти лучшие современные стандарты времени по стабильности и точности, а также открыть новые возможности для изучения фундаментальных законов Вселенной, включая поиск тёмной материи и проверку физических теорий.

Почему атомные часы считаются эталоном времени

Сегодня наиболее точными приборами для измерения времени являются атомные часы. Они работают за счёт регистрации переходов электронов между различными энергетическими состояниями в атомах, чаще всего цезия или рубидия.

Точность таких устройств настолько высока, что ошибка может составлять менее одной секунды за сотни миллионов лет непрерывной работы. Именно атомные часы лежат в основе современных навигационных систем, телекоммуникаций, научных исследований и международных стандартов времени.

Однако даже столь совершенные приборы имеют ограничения. Электронные оболочки атомов достаточно чувствительны к воздействию внешних факторов, включая электромагнитные поля, температуру и другие воздействия окружающей среды.

В чём особенность ядерных часов

Новая технология использует совершенно иной подход.

Если в атомных часах роль «маятника» выполняют колебания электронов, то в ядерных часах за отсчёт времени отвечают переходы между энергетическими состояниями самого атомного ядра.

Поскольку ядро в тысячи раз меньше электронной оболочки, оно гораздо лучше защищено от внешних воздействий. Это означает, что потенциально такие часы способны обеспечивать ещё более стабильные и точные измерения.

Идея создания подобных устройств появилась ещё в 1970-х годах, однако реализовать её долгое время не удавалось из-за технических ограничений и отсутствия подходящих материалов.

Почему учёные выбрали торий-229

Основой нового устройства стал редкий изотоп торий-229.

Этот элемент обладает уникальной особенностью — его ядро имеет необычно низкоэнергетический переход между основным и возбуждённым состояниями. Энергия такого перехода составляет около 8,4 электронвольта.

Для большинства известных ядерных переходов требуются гамма-кванты с очень высокой энергией, поэтому управлять ими с помощью лазеров невозможно. Торий-229 стал редким исключением из этого правила.

Благодаря этому исследователи смогли использовать ультрафиолетовый лазер для точного возбуждения ядра и создания устойчивого сигнала, пригодного для измерения времени.

Как устроен новый прототип

В созданном экспериментальном устройстве лазер настраивается на строго определённую частоту, соответствующую энергетическому переходу в ядре тория-229.

Когда ядро поглощает фотон, оно переходит в возбуждённое состояние, а затем возвращается обратно, испуская энергию. Повторение этого процесса создаёт стабильные колебания, которые используются как временной эталон.

Для повышения стабильности учёные встроили атомы тория в кристалл фторида кальция.

Этот материал обладает сразу несколькими преимуществами:

• хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение;
• надёжно фиксирует атомы в кристаллической решётке;
• снижает влияние тепловых колебаний;
• позволяет использовать большое количество ядер одновременно.

В результате сигнал формируется коллективными колебаниями множества ядер, что повышает точность работы устройства.

Почему создание ядерных часов считается прорывом

Несмотря на то что нынешний прототип пока уступает лучшим оптическим атомным часам по точности, сам факт его успешной работы стал важнейшим научным достижением.

На протяжении десятилетий главной проблемой оставалось недостаточное понимание свойств тория-229. Учёным требовалось точно определить параметры перехода внутри ядра, чтобы подобрать соответствующее лазерное излучение.

Серьёзный прогресс был достигнут лишь в последние годы.

Особенно важную роль сыграли исследования, проведённые в совместном научном центре JILA, созданном Университетом Колорадо и Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST). В 2024 году исследователи смогли с высокой точностью определить частоту необходимого перехода, что открыло путь к созданию рабочего устройства.

Какие перспективы открывает новая технология

Учёные уверены, что дальнейшее развитие лазерных систем и совершенствование кристаллических материалов позволит значительно улучшить характеристики ядерных часов.

В перспективе такие устройства могут использоваться:

• для создания новых международных стандартов времени;
• в спутниковой навигации следующего поколения;
• в космических исследованиях;
• в высокоточных системах связи;
• в фундаментальной физике.

Потенциальная точность будущих ядерных часов может оказаться настолько высокой, что они смогут фиксировать эффекты, которые сегодня остаются недоступными даже самым совершенным измерительным приборам.

Как ядерные часы помогут искать тёмную материю

Одним из наиболее интересных направлений применения новой технологии может стать изучение тёмной материи.

Современная наука предполагает, что около 85 % всей материи во Вселенной приходится именно на тёмную материю, однако напрямую обнаружить её до сих пор не удалось.

Исследователи считают, что некоторые формы сверхлёгкой тёмной материи способны вызывать едва заметные изменения фундаментальных физических констант. Эти колебания могут быть настолько малы, что их невозможно зарегистрировать обычными методами.

Сравнивая показания сверхточных атомных и ядерных часов, физики смогут искать подобные отклонения и проверять существование новых физических явлений.

Возможность проверить фундаментальные законы Вселенной

Помимо поиска тёмной материи, новые часы могут помочь ответить на один из самых сложных вопросов современной науки: остаются ли фундаментальные физические константы неизменными на протяжении миллиардов лет.

Некоторые теоретические модели допускают, что параметры природы могут очень медленно меняться по мере эволюции Вселенной.

Если такие изменения действительно существуют, сверхточные ядерные часы могут стать одним из первых инструментов, способных их обнаружить.

Таким образом, появление работоспособных ядерных часов открывает новую главу в истории точного времени. Сегодня технология находится лишь на начальном этапе развития, однако уже сейчас ясно, что её значение может выйти далеко за пределы метрологии и оказать серьёзное влияние на фундаментальную физику будущего.