На сайте Phys.org размещена статья "Как заставить тикать ядерные часы". Хотя ядерные часы не очень полезны для определения времени, они могут позволить ученым проверить фундаментальное понимание человечеством того, как устроена реальность. Атомные часы достаточно знакомы, но если исследования ученых пойдут по плану, они могут привести к созданию ядерных часов. И это не только показывает время, но и может помочь раскрыть некоторые из самых тщательно охраняемых секретов Вселенной.

Часы могут быть основаны на чем-либо, что колеблется через равные промежутки времени и может считываться. Первые часы были механическими. Сегодня во многих наручных часах используются электромеханические колебания кристалла кварца. Но технология часов продвинулась вперед в 1950-х годах с появлением атомных часов.

Атомы состоят из ядра, окруженного вращающимся облаком электронов. Ход атомных часов зависит от «квантовых переходов», которые совершают эти электроны. Они могут поглощать пакет энергии, переводящий их из основного состояния в возбужденное с более высокой энергией. Затем они могут вернуться назад, высвобождая этот пакет энергии по пути вниз. Энергетические переходы происходят с определенной частотой, которую можно использовать для хронометража. Все происходит удивительно быстро. Например, одна секунда официально определяется как 9 192 631 770 колебаний энергетического пакета, возбуждающего атом цезия-133. Атомные часы настолько точны, потому что они производят очень много колебаний или тактов.

Ядерные часы другие. Тик часов зависит не от электронов, а от колебаний самого ядра. Это во много раз быстрее, чем тики электронных переходов. Оказывается, редкий изотоп элемента торий-229 — самый простой материал, из которого можно построить ядерные часы, поскольку считается, что у него самые медленные тики среди всех ядер. Торий-229 не встречается в природе, а производится только путем ядерного распада некоторых видов урана. Венский технологический университет заключил соглашение с Окриджской национальной лабораторией в США, которое позволяет ему получать некоторое количество тория-229 из остатков урана, использовавшегося в ядерных испытаниях десятилетия назад.

С 2020 года ученые проводят фундаментальные исследования по созданию ядерных часов в рамках финансируемого ЕС проекта ThoriumNuclearClock, который продлится до начала 2026 года.

Чтобы заставить тикать ядерные часы, их нужно подтолкнуть лазером, настроенным точно на нужный уровень энергии. Но для большинства ядер необходимая энергетическая частота недоступна при современных лазерных технологиях. В настоящее время ученые работают над созданием лазера, специально разработанного для воздействия на торий на нужной частоте.

Проводимые исследования важны не потому, что нужны более точные часы, а потому, что нужно фундаментальное понимание человечества того, как работает реальность и оно может быть проверено.

Лучшие физические теории объясняют, что во Вселенной действуют четыре фундаментальные силы: гравитация, электромагнетизм, слабое ядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие. Сила этих сил известна, и эти числа часто называют фундаментальными «константами». Но неизвестно, была ли сила этих сил и всегда будет одинаковой. Есть признаки того, что силы были намного сильнее в далеком прошлом, близком к Большому Взрыву, и, возможно, они все еще изменяются в незначительной степени.

Атомные и ядерные часы могут позволить проверить это. На тиканье атомных часов в основном влияет сила электромагнетизма, поэтому, если бы скорость тиканья начала меняться, это означало бы дрейф лежащей в основе силы. Однако электромагнетизм очень слаб, поэтому атомные часы, несмотря на их захватывающую дух точность, могут никогда не уловить каких-либо изменений в нем. На тиканье ядерных часов влияет сильное взаимодействие и их можно было бы использовать для отслеживания того, есть ли какие-либо изменения сильного взаимодействия с течением времени.