Fascinantnan proboj u mjerenju vremena može promijeniti temeljne ideje o svemiru

AMERIČKI fizičari razvili su tehniku koja bi se mogla upotrijebiti za razvoj nuklearnih satova koji bi bili značajno precizniji od najboljih postojećih atomskih satova. Takvo precizno mjerenje vremena trebalo bi omogućiti provjere postojećih teorija i konstanti te olakšati napredak u navigaciji i komunikaciji u dubokom svemiru.

Ovo fascinantno postignuće predstavljeno je u časopisu Physical Review Letters.

Nuklearni sat

Postojeći atomski satovi temelje se na oscilacijama elektrona koji, pobuđeni elektromagnetskim valovima, skaču između dvaju energetskih stanja, odnosno dviju orbitala. Nuklearni satovi trebali bi se temeljiti na pobuđenju, odnosno podizanju energetskog stanja neutrona u jezgri atoma pomoću lasera.

U atomskim satovima elektroni nekih elemenata, kao što je primjerice cezij, pobuđuju se u više energetsko stanje vanjskim izvorom elektromagnetskog zračenja, odnosno mikrovalovima. Kada atom apsorbira elektromagnetski val, elektron u atomu prima energiju tog vala i prelazi na višu energetsku razinu. Ovaj prijelaz događa se kada energija fotona elektromagnetskog vala točno odgovara energiji potrebnoj za taj prelaz.

Elektron u pobuđenom stanju nije stabilan, pa će nakon nekog vremena spontano ili inducirano emitirati foton, izgubiti energiju i vratiti se na nižu energetsku razinu u stabilnije stanje.

U atomskim satovima ovaj proces prijelaza i oscilacija elektrona koristi se kao osnova za mjerenje vremena. Frekvencija tih oscilacija vrlo je stabilna i precizna, što omogućava točno mjerenje vremena.

Primjerice, jedan od najčešćih tipova atomskih satova koristi atom cezija-133, a jedna sekunda definirana je kao 9.192.631.770 ciklusa oscilacija njegovog vanjskog elektrona između dvaju energetskih stanja. Cezijev sat griješi manje od sekunde u 20 milijuna godina.

Trenutno najbolji satovi su optički atomski satovi

Fizičar Neven Šantić s Instituta za fiziku, koji se bavi atomskim satovima, kaže da najbolji cezijevi satovi, tzv. cezijeve fontane, gube 1 sekundu u 160 milijuna godina.

"Najbolji satovi koji trenutno postoje su zapravo optički atomski satovi, koji umjesto mikrovalnog zračenja, na kojem rade cezijevi satovi, koriste zračenje u vidljivom dijelu spektra i prijelaze u atomima kao što je stroncij. Najbolji stroncijevi optički atomski satovi gube otprilike sekundu u 30 milijardi godina, što je dva puta duže od starosti svemira! Zbog toga je stroncij jedan od vodećih kandidata za redefiniciju sekunde koja se očekuje 2030. godine", kaže Šantić.

Nuklearni satovi

Nuklearni satovi trebali bi bi biti još precizniji jer bi njihove frekvencije bile još puno veće te zato što su elektroni značajno izloženiji smetnjama nego jezgre atoma. Naime, brojni čimbenici iz okoline mogu utjecati na to kako elektroni apsorbiraju i emitiraju fotone, što ograničava njihovu preciznost.

Neutroni i protoni, s druge strane, vezani su u jezgri jakom nuklearnom silom, najjačom od četiri fundamentalne sile prirode, tako da doživljavaju mnogo manje smetnji iz okoline. To također čini da su njihove oscilacije mnogo brže, preciznije i postojanije. Procjenjuje se da bi torijev nuklearni sat griješio manje od sekunde u nekoliko stotina milijardi godina.

Tim točniji što brže kucaju

Šantić kaže da općenito vrijedi da je sat tim točniji što brže kuca. "Zato su i optički satovi precizniji od mikrovalnih, jer umjesto mikrovalova i milijardu otkucaja u sekundi koriste optičke valove koji kucaju stotine bilijuna puta u sekundi", ističe.

"Konačno, nuklearni atomski satovi kucaju još brže, tisuće bilijuna puta u sekundi. Konkretno, ovaj prijelaz u toriju je detektiran na otprilike 2000 THz, što znači da je njegovo kucanje otprilike 200.000 puta brže nego kod cezijevih satova", tumači naš znanstvenik.

Kako je riješen dugogodišnji problem?

Fizičari već gotovo pola stoljeća traže način da pobude neutrone u jezgrama atoma.

Problem s kojim su do sada bili suočeni predstavljala je činjenica da je bilo izuzetno teško pobuditi ih jer je bilo teško doprijeti do njih elektromagnetskim valovima zbog elektrona koji kruže oko jezgara, a koji su vrlo reaktivni na svjetlost. Elektroni su apsorbirali većinu fotona, pa je bilo potrebno jako puno svjetlosti da nešto dopre do jezgre.

Fizičari sa Sveučilišta UCLA uspjeli su prevladati taj problem tako što su atome torija-229 ugradili u proziran kristal bogat fluorom. Elektroni su u kristalu bili toliko čvrsto vezani s fluorom da je kristal postao proziran za frekvencije koje su trebale doći do jezgre.

One su mogle apsorbirati te fotone i ponovno ih emitirati, čime se omogućilo otkrivanje i mjerenje pobuđenja, odnosno oscilacije jezgri. Promjenom energije fotona i praćenjem brzine kojom se jezgre pobuđuju tim je uspio izmjeriti energiju nuklearnog pobuđenog stanja.

Voditelj istraživanja Eric Hudson, profesor fizike i astronomije na UCLA-u, rekao je: "Ako torij držite na mjestu u prozirnom kristalu, možete razgovarati s njim svjetlom." Hudson smatra da bi nova tehnologija mogla naći primjenu svugdje gdje je potrebna ekstremna preciznost u mjerenju vremena.

Zanimljivo je također to što su postojeći atomski satovi temeljeni na elektronima ogromni uređaji s vakuumskim komorama za hvatanje atoma i opremom za hlađenje, dok bi nuklearni satovi temeljeni na toriju bili mnogo manji, robusniji, prenosiviji i precizniji.

"Nuklearne sile toliko su jake da je energija u jezgri milijun puta veća od one koju vidimo u elektronima, što znači da, ako temeljne konstante prirode odstupaju, rezultirajuće promjene u jezgri bit će puno veće i primjetnije, zbog čega će mjerenja biti osjetljivija za cijele redove veličine", rekao je Hudson.

"Korištenje nuklearnog sata za ova mjerenja omogućit će najosjetljiviji test varijacija konstanti do sada i vjerojatno mu se nijedan eksperiment u sljedećih 100 godina neće približiti", dodao je.

Nuklearni satovi otvaraju nove mogućnosti

Nuklearni satovi trebali bi omogućiti mjerenja koja bi pokazala jesu li temeljne konstante prirode, poput Planckove i gravitacijske konstante te brzine svjetlosti, doista stalne ili se samo čini da jesu zato što ih još nismo dovoljno precizno izmjerili.

Primjerice, znanstvenici bi mogli odrediti varira li konstanta fine strukture koja određuje snagu sile koja atome drži na okupu. Naime, na temelju nekih naznaka iz astronomije čini se da ona možda nije ista svugdje u svemiru ili u svakom trenutku. Njezino precizno mjerenje pomoću nuklearnog sata moglo bi potpuno promijeniti naše shvaćanje svemira.

Šantić ističe da bi upravo to trebalo biti najvažnija funkcija nuklearnih satova.

"Za fizičare je najuzbudljivija, a i najizglednija primjena nuklearnog sata provjera jesu li fundamentalne konstante prirode, poput brzine svjetlosti, stvarno konstante", zaključio je Šantić.