Czas na nuklearną punktualność
Zegar to jeden z najstarszych wynalazków ludzkości. Przez wieki człowiek udoskonalał urządzenia służące śledzeniu uciekających sekund, wykorzystując w tym celu różne procesy fizyczne. Najnowsze odkrycia obiecują powstanie najdokładniejszego zegara świata.
Wczesne zegary mechaniczne wykorzystywały ruchome wahadło w celu wytworzenia drgań potrzebnych do mierzenia czasu. Nowożytność odkryła kryształy kwarcu zapewniające oscylacje o wysokiej częstotliwości, działające niczym kamerton, które natychmiast wyparły staromodne mechanizmy wahadłowe zapewniając większą dokładność pomiaru.
Dzisiaj najbardziej precyzyjny jest zegar atomowy autorstwa Brytyjczyków - CsF2, który może pomylić się o jedną sekundę na 138 mln lat. Jego ścisłość bierze się z indukowanych laserowo drgań elektronów w atomach. Stąd także wynika jego skala błędu, gdyż cząsteczki o ujemnym ładunku elektrycznym są podatne na zaburzenia powodowane oddziaływaniem pola elektrycznego i magnetycznego. Problem postanowili wspólnymi siłami rozwiązać fizycy z Georgia Institute of Technology, Uniwersytetu New South Wales w Australii oraz Uniwersytetu Nevada. Rozpoczęty w tym roku program badań nad konstrukcją zegara neutronowego ma w niedalekiej przyszłości doprowadzić do stworzenia czasomierza, którego trafność zwiększy się do jednej dziesiątej sekundy w ciągu czternastu miliardów lat, czyli dokładnie tyle, ile liczy sobie nasz wszechświat!
Ponad stukrotny wzrost dokładności ma zapewnić wykorzystanie neutronów w roli wahadła mierzącego czas. Jako cząsteczki cięższe od elektronów i gęściej upakowane w jądrze atomowym będą one wolne od perturbacji powodowanych wpływem czynników zewnętrznych. W celu wzbudzenia jonu toru 229 naukowcy planują wykorzystać laser działający na petahercowych (1015 drgań na sekundę) częstotliwościach.
Dostrojenie laseru do wywoływania tych stanów wyższej energii w jądrze atomu umożliwi uczonym precyzyjne ustawienie częstotliwości drgań neutronów, które zostaną użyte do wyznaczania czasu zamiast tykania zegara, czy ruchów wahadła. Niestety działanie takiego mechanizmu będzie wymagało bardzo niskiej temperatury bliskiej zera absolutnego, zazwyczaj uzyskiwanej przy pomocy lasera. W wypadku zegara neutronowego jest to niemożliwe, gdyż laser służy do wzbudzenia jonów. Badacze zaproponowali zatem, aby obok jonu toru 229 użyć toru 232. Pierwiastek ten jest cięższy i reaguje na inną częstotliwość światła lasera niż tor 229, dzięki czemu schłodzenie go pozwoli na schłodzenie całego systemu bez wpływu na oscylacje toru 229.
Projekt jest wspierany finansowo m.in. przez Biuro Badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych oraz National Science Foundation. Z czysto technicznego punktu widzenia skonstruowanie zegara neutronowego byłoby możliwe już dzisiaj, jednak na przeszkodzie stoi jeszcze jeden szczegół: ustalenie właściwej częstotliwości, która wzbudzi jądro toru w pożądany sposób. Stojący na czele zespołu badawczego prof. Alex Kuzmich mocno wierzy, że problem ten zostanie wkrótce rozwiązany umożliwiając fizykom i całemu światu wkroczenie w nową erę ultra dokładnych zegarów. Taka punktualność znacznie poprawi skuteczność naukowych eksperymentów, usprawni globalne systemy lokalizacji, ale przede wszystkim pozwoli zweryfikować fundamentalne teorie i prawa fizyki.
Michał Mądracki
