Novi način merenja vremena može promeniti utemeljene ideje o svemiru

Ovako precizno merenje vremena trebalo bi da omogući verifikaciju postojećih teorija i konstanti i olakša napredak u navigaciji i komunikaciji u dubokom svemiru.

Ovo fascinantno dostignuće predstavljeno je u časopisu Physical Review Letters.

Nuklearni sat

Postojeći atomski satovi zasnivaju se na oscilacijama elektrona koji, pobuđeni elektromagnetnim talasima, skaču između dva energetska stanja, ili dve orbitale. Nuklearni satovi treba da se zasnivaju na ekscitaciji, odnosno podizanju energetskog stanja neutrona u jezgru atoma pomoću lasera.

U atomskim satovima, elektroni nekih elemenata, kao što je cezijum, se pobuđuju u više energetsko stanje pomoću spoljašnjeg izvora elektromagnetnog zračenja, odnosno mikrotalasa. Kada atom apsorbuje elektromagnetni talas, elektron u atomu prima energiju tog talasa i prelazi na viši energetski nivo. Ovaj prelaz se dešava kada energija fotona elektromagnetnog talasa tačno odgovara energiji potrebnoj za ovaj prelaz.

Elektron u pobuđenom stanju nije stabilan, pa će posle nekog vremena spontano ili indukovano emitovati foton, izgubiti energiju i vratiti se na niži energetski nivo u stabilnijem stanju.

U atomskim satovima, ovaj proces elektronskih prelaza i oscilacija se koristi kao osnova za merenje vremena. Frekvencija ovih oscilacija je veoma stabilna i precizna, što omogućava precizno merenje vremena.

Na primer, jedan od najčešćih tipova atomskih satova koristi atom cezijum-133, a jedna sekunda je definisana kao 9.192.631.770 ciklusa oscilovanja njegovog spoljašnjeg elektrona između dva energetska stanja. Cezijumski sat je pogrešan za manje od sekunde svakih 20 miliona godina.

Trenutno najbolji satovi su optički atomski satovi

Fizičar Neven Šantić sa zagrebačkog Instituta za fiziku, koji se bavi atomskim satovima, kaže da su najbolji cezijumski satovi, tzv. cezijumske fontane, izgube 1 sekundu u 160 miliona godina.

"Najbolji satovi koji trenutno postoje su zapravo optički atomski satovi, koji umesto mikrotalasnog zračenja, na kojem rade cezijumski satovi, koriste zračenje u vidljivom delu spektra i prelaze u atomima kao što je stroncijum. Najbolji optički atomski satovi stroncijuma gube oko sekundu za 30 milijardi godina, što je duplo duže od starosti svemira, zato je stroncijum jedan od vodećih kandidata za redefinisanje drugog, koje se očekuje 2030. godine“, kaže Šantić.

Nuklearni satovi

Nuklearni satovi bi trebalo da budu još precizniji jer bi njihove frekvencije bile mnogo veće i zato što su elektroni znatno više izloženi interferenciji od atomskih jezgara. Naime, brojni faktori okoline mogu uticati na to kako elektroni apsorbuju i emituju fotone, što ograničava njihovu preciznost.

Neutroni i protoni su, s druge strane, vezani u jezgru jakom nuklearnom silom, najjačom od četiri fundamentalne sile prirode, tako da doživljavaju mnogo manje smetnji iz okoline. Ovo takođe čini njihove oscilacije mnogo bržim, preciznijim i stabilnijim. Procenjuje se da bi torijumov nuklearni sat bio pogrešan za manje od sekunde svakih nekoliko stotina milijardi godina.

Što brže kucaju, to su tačniji

Šantić kaže da je uglavnom tačno da što brže otkucava sat, to je tačniji.

"Zato su optički satovi precizniji od mikrotalasnih, jer umesto mikrotalasa i milijardu otkucaja u sekundi koriste optičke talase koji otkucaju stotine milijardi puta u sekundi", ističe on.

"Konačno, nuklearni atomski satovi otkucavaju još brže, hiljade triliona puta u sekundi. Konkretno, ova tranzicija u torijumu je otkrivena na približno 2000 THz, što znači da je njegovo otkucavanje približno 200 000 puta brže od otkucaja cezijumovih satova", objašnjava naučnik.

Kako je rešen dugogodišnji problem?

Fizičari su skoro pola veka tražili način da probude neutrone u jezgrima atoma.

Problem sa kojim su se do sada suočavali bio je to što ih je bilo izuzetno teško probuditi jer je bilo teško doći do njih elektromagnetnim talasima zbog elektrona koji kruže oko jezgara, koji su veoma reaktivni na svetlost. Elektroni su apsorbovali većinu fotona, tako da je bilo potrebno mnogo svetlosti da bilo šta stigne do jezgra.

Fizičari sa UCLA uspeli su da prevaziđu ovaj problem ugrađivanjem atoma torijuma-229 u providni kristal bogat fluorom. Elektroni u kristalu su bili tako čvrsto vezani za fluor da je kristal postao transparentan za frekvencije koje su bile potrebne da dođu do jezgra.

Mogli su da apsorbuju ove fotone i ponovo ih emituju, što je omogućilo otkrivanje i merenje pobude ili oscilacije jezgara. Promenom energije fotona i praćenjem brzine pobuđivanja jezgara, tim je mogao da izmeri energiju nuklearnog pobuđenog stanja.

Vođa istraživanja Erik Hadson, profesor fizike i astronomije na UCLA, rekao je:

"Ako torijum držite na mestu u providnom kristalu, možete da razgovarate sa njim svetlošću."

Hadson veruje da bi nova tehnologija mogla da nađe primenu svuda gde je potrebna ekstremna preciznost u merenju vremena. Takođe je zanimljivo da su postojeći atomski satovi zasnovani na elektronima ogromni uređaji sa vakuum komorama za hvatanje atoma i rashladnom opremom, dok bi nuklearni satovi zasnovani na torijumu bili mnogo manji, robusniji, prenosiviji i tačniji.

"Nuklearne sile su toliko jake da je energija u jezgru milion puta veća od one koju vidimo u elektronima, što znači da ako fundamentalne konstante prirode odstupaju, nastale promene u jezgru će biti mnogo veće i uočljivije, čineći merenja osetljivija za čitave redove veličine", rekao je Hadson.

"Korišćenje nuklearnog sata za ova merenja obezbediće najosetljiviji test konstantnih varijacija do sada, i verovatno se nijedan eksperiment u narednih 100 godina neće približiti tome", dodao je on.

Nuklearni satovi otvaraju nove mogućnosti

Nuklearni satovi bi trebalo da omoguće merenja kako bi se pokazalo da li su fundamentalne konstante prirode, kao što su Plankove i gravitacione konstante i brzina svetlosti, zaista konstantne ili se samo čini da jesu zato što ih još nismo dovoljno precizno izmerili. Na primer, naučnici bi mogli da utvrde da li konstanta fine strukture koja određuje snagu sile koja drži atome zajedno varira. Naime, na osnovu nekih indicija iz astronomije, čini se da možda nije svuda u svemiru ili u svakom trenutku isto.Njegovo precizno merenje pomoću nuklearnog sata moglo bi u potpunosti da promeni naše razumevanje univerzuma.

Šantić ističe da bi to trebalo da bude najvažnija funkcija nuklearnih satova.

"Za fizičare je najuzbudljivija i najperspektivnija primena nuklearnog sata provera da li su fundamentalne konstante prirode, poput brzine svetlosti, zaista konstantne", zaključio je on.