Przyznaję się bez bicia — zegary atomowe są moim guilty pleasure od lat. Te urządzenia są absolutnie niesamowite: najdokładniejsze z nich nie pomyliłyby się nawet o sekundę przez 30 miliardów lat. To dłużej niż wiek całego wszechświata! Ale w tym tygodniu dowiedziałem się czegoś, co sprawiło, że zegary atomowe wydały mi się nagle jak prehistoryczne klepsydry.
Dwa niezależne zespoły badawcze — jeden z TU Wien w Austrii we współpracy z NIST i JILA, drugi z Chin — opanowali właśnie technologię budowy działających zegarów jądrowych. I nie mówię o prototypach, które teoretycznie "tykają", ale nie da się z nich korzystać. To pełnoprawne, działające konstrukcje.
Dlaczego jądra zamiast elektronów?
Rozłożę to na czynniki pierwsze. Tradycyjne zegary atomowe mierzą, jak elektrony w atomach przeskakują między poziomami energetycznymi. Wyobraź sobie, że liczysz podrzuty maleńkiej piłeczki. Problem w tym, że elektrony są dosyć... kapryśne. Łatwo je rozproszyć — pole elektromagnetyczne, zmiana temperatury, cokolwiek.
Zegary jądrowe wykorzystują natomiast jądro atomu toru-229. Jądro to gęsty rdzeń, osłonięty przed zewnętrznymi wpływami. To jak różnica między mierzeniem czasu biegu podczas zamieci śnieżnej a robieniem tego w szczelnie zamkniętym pomieszczeniu z kontrolą klimatu. Mniej zakłóceń oznacza większą precyzję.
Tajemnica toru-229
Tu zaczyna się prawdziwa magia. Odkrycie tej właściwości zajęło naukowcom ponad dwadzieścia lat. Większość jąder atomowych potrzebuje absurdalnie dużo energii, żeby przełączyć się między stanami — więcej, niż jakikolwiek laser jest w stanie dostarczyć. Ale tor-229 to wyjątek. Ma dwa stany jądrowe o niemal identycznej energii, co pozwala przełączyć go odpowiednim laserem.
Naukowcy rozwiązali też kłopotliwy problem stabilności lasera, wdrażając pętlę sprzężenia zwrotnego, która nieustannie koryguje jego częstotliwość. Wyobraź sobie maleńkiego robota, który bez przerwy sprawdza i dostraja wahadło twojego zegara. Sprytne, prawda?
Dlaczego powinno cię to obchodzić?
A teraz najlepsze. Ponieważ zegary jądrowe są mniej podatne na zakłócenia zewnętrzne, mogą wykrywać niewyobrażalnie małe wahania podstawowych stałych fizycznych — liczb rządzących silnym oddziaływaniem jądrowym.
Dlaczego to istotne? Te wahania mogą być wywołane przez cząstki ciemnej materii oddziałujące ze zwykłą materią w sposób, którego wcześniej nie byliśmy w stanie zarejestrować. Ciemna materia — pewnie pamiętasz — stanowi około 27% wszechświata, ale jak dotąd nigdy jej nie zaobserwowaliśmy bezpośrednio. Zegary jądrowe mogą być naszą najlepszą szansą na wreszcie ją złapać.
Badacze przewidują, że zegary jądrowe przegonią najlepsze zegary atomowe już za 2-3 lata. Thorsten Schumm z TU Wien użył porównania, które bardzo mi się spodobało: „Pierwsze samochody nie były szybsze od powozów. Chodziło o wprowadzenie zupełnie nowej koncepcji."
Dokładnie to mamy teraz. Nowa koncepcja, która może zrewolucjonizować sposób, w jaki mierzymy czas, badamy fundamentalną naturę rzeczywistości i być może — być może — pomoże nam wreszcie zrozumieć, z czego tak naprawdę zbudowany jest wszechświat.
Jak dla mnie? Fascynujące.