Fizikanët amerikanë kanë zhvilluar një teknikë që mund të përdoret për të zhvilluar orët bërthamore që do të ishin dukshëm më të sakta se sa orët më të mira atomike ekzistuese. Koha e tillë e saktë duhet të mundësojë verifikimin e teorive dhe konstanteve ekzistuese dhe të lehtësojë përparimin në lundrim dhe komunikim në hapësirën e thellë.
Kjo arritje magjepsëse u prezantua në revistën Physical Review Letters .
Ora bërthamore
Orët ekzistuese atomike bazohen në lëkundjet e elektroneve të cilat, të ngacmuara nga valët elektromagnetike, kërcejnë midis dy gjendjeve energjetike, ose dy orbitaleve. Orët bërthamore duhet të bazohen në ngacmim, domethënë në ngritjen e gjendjes energjetike të neutroneve në bërthamën e një atomi duke përdorur një lazer.
Në orët atomike, elektronet e disa elementeve, si ceziumi, ngacmohen në një gjendje më të lartë energjie nga një burim i jashtëm i rrezatimit elektromagnetik, d.m.th., mikrovalët. Kur një atom thith një valë elektromagnetike, elektroni në atom merr energjinë e asaj valë dhe lëviz në një nivel më të lartë energjie. Ky kalim ndodh kur energjia e fotonit të valës elektromagnetike përputhet saktësisht me energjinë e kërkuar për këtë tranzicion.
Një elektron në një gjendje të ngacmuar nuk është i qëndrueshëm, kështu që pas njëfarë kohe ai do të lëshojë spontanisht ose i induktuar një foton, do të humbasë energjinë dhe do të kthehet në një nivel më të ulët energjie në një gjendje më të qëndrueshme.
Në orët atomike, ky proces i tranzicionit dhe lëkundjeve të elektroneve përdoret si bazë për matjen e kohës. Frekuenca e këtyre lëkundjeve është shumë e qëndrueshme dhe precize, gjë që mundëson matje të saktë të kohës.
Për shembull, një nga llojet më të zakonshme të orëve atomike përdor atomin e cezium-133, dhe një sekondë përkufizohet si 9,192,631,770 cikle të lëkundjes së elektronit të tij të jashtëm midis dy gjendjeve energjetike. Ora e ceziumit është e gabuar me më pak se një sekondë çdo 20 milionë vjet.
Aktualisht orët më të mira janë orët atomike optike
Fizikani Neven Šantić nga Instituti i Fizikës, i cili merret me orët atomike, thotë se orët më të mira të ceziumit, të ashtuquajturat. shatërvanët e ceziumit, humbasin 1 sekondë në 160 milionë vjet.
“Orat më të mira që ekzistojnë aktualisht janë orët atomike optike, të cilat në vend të rrezatimit të mikrovalës, në të cilën punojnë orët e ceziumit, përdorin rrezatim në pjesën e dukshme të spektrit dhe tranzicione në atome si stroncium. Orët atomike optike më të mira të stronciumit humbasin rreth një sekondë në 30 miliardë vjet, që është dy herë më e gjatë se mosha e universit, prandaj stronciumi është një nga kandidatët kryesorë për ripërcaktimin e të dytit, i cili pritet në vitin 2030”, thotë Shantiq.
Orët bërthamore
Orët bërthamore duhet të jenë edhe më të sakta sepse frekuencat e tyre do të ishin shumë më të larta dhe sepse elektronet janë dukshëm më të ekspozuara ndaj ndërhyrjeve sesa bërthamat atomike. Gjegjësisht, faktorë të shumtë mjedisorë mund të ndikojnë në mënyrën se si elektronet thithin dhe lëshojnë fotone, gjë që kufizon saktësinë e tyre.
Neutronet dhe protonet, nga ana tjetër, janë të lidhur në bërthamë nga forca e fortë bërthamore, më e forta nga katër forcat themelore të natyrës, kështu që ata përjetojnë shumë më pak ndërhyrje nga mjedisi. Kjo gjithashtu i bën lëkundjet e tyre shumë më të shpejta, më të sakta dhe më të qëndrueshme. Është vlerësuar se ora bërthamore e toriumit do të ishte e gabuar me më pak se një sekondë çdo disa qindra miliardë vjet.
Sa më shpejt të shtypin, aq më të sakta janë
Šantić thotë se në përgjithësi është e vërtetë që sa më shpejt të shënojë ora, aq më e saktë është. “Kjo është arsyeja pse orët optike janë më të sakta se orët me mikrovalë, sepse në vend të mikrovalëve dhe një miliard rrahje në sekondë, ato përdorin valë optike që rrahin qindra miliarda herë në sekondë”, thekson ai.
“Më në fund, orët atomike bërthamore shënojnë edhe më shpejt, mijëra triliona herë në sekondë. Në veçanti, ky kalim në torium u zbulua në afërsisht 2000 THz, që do të thotë se tik-taku i tij është afërsisht 200.000 herë më i shpejtë se ai i orëve të ceziumit,” shpjegon. shkencëtari ynë.
Si u zgjidh problemi i kahershëm?
Fizikanët kanë kërkuar një mënyrë për të ngacmuar neutronet në bërthamat e atomeve për gati gjysmë shekulli.
Problemi me të cilin ata janë përballur deri më tani ishte fakti se ishte jashtëzakonisht e vështirë t’i ngacmosh, sepse ishte e vështirë t’i arrije me valë elektromagnetike për shkak të elektroneve që rrotullohen rreth bërthamave, të cilat janë shumë reaktive ndaj dritës. Elektronet thithën shumicën e fotoneve, kështu që nevojitej shumë dritë që çdo gjë të arrinte në bërthamë.
Fizikanët e UCLA arritën ta kapërcejnë këtë problem duke futur atomet e torium-229 në një kristal transparent të pasur me fluor. Elektronet në kristal ishin aq fort të lidhur me fluorin sa që kristali u bë transparent ndaj frekuencave që duheshin për të arritur në bërthamë.
Ata mund të thithin këto fotone dhe t’i riemetojnë ato, gjë që bëri të mundur zbulimin dhe matjen e ngacmimit ose lëkundjes së bërthamave. Duke ndryshuar energjinë e fotonit dhe duke monitoruar shpejtësinë me të cilën bërthamat ngacmohen, ekipi ishte në gjendje të matë energjinë e gjendjes së ngacmimit bërthamor.
Udhëheqësi i kërkimit Eric Hudson, profesor i fizikës dhe astronomisë në UCLA, tha: “Nëse e mbani toriumin në vend në një kristal transparent, mund të flisni me të me dritë.” Hudson beson se teknologjia e re mund të gjejë aplikim kudo ku nevojitet saktësi ekstreme në matjen e kohës.
Gjithashtu interesante është se orët atomike ekzistuese të bazuara në elektrone janë pajisje të mëdha me dhoma vakumi për të kapur atomet dhe pajisjet ftohëse, ndërsa orët bërthamore me bazë toriumi do të ishin shumë më të vogla, më të fuqishme, më të lëvizshme dhe më të sakta.
“Forcat bërthamore janë aq të forta sa energjia në bërthamë është një milion herë më e madhe se ajo që shohim tek elektronet, që do të thotë se nëse konstantet themelore të natyrës devijojnë, ndryshimet që rezultojnë në bërthamë do të jenë shumë më të mëdha dhe më të dukshme, duke bërë që matjet janë më të ndjeshme për urdhra të tëra të madhësisë, “tha Hudson.
“Përdorimi i një ore bërthamore për këto matje do të sigurojë testin më të ndjeshëm të variacioneve konstante deri më sot, dhe ndoshta asnjë eksperiment në 100 vitet e ardhshme nuk do t’i afrohet atij,” shtoi ai.
Orët bërthamore hapin mundësi të reja
Orët bërthamore duhet të lejojnë që të bëhen matje për të treguar nëse konstantet themelore të natyrës, të tilla si konstantet e Plankut dhe gravitacionale dhe shpejtësia e dritës, janë vërtet konstante ose thjesht duken të jenë sepse ne nuk i kemi matur ato ende mjaftueshëm saktë.
Për shembull, shkencëtarët mund të përcaktojnë nëse konstanta e strukturës së imët që përcakton forcën e forcës që mban atomet së bashku ndryshon. Domethënë, bazuar në disa indikacione nga astronomia, duket se mund të mos jetë e njëjtë kudo në univers apo në çdo moment. Matja e saktë e tij duke përdorur orën bërthamore mund të ndryshojë plotësisht të kuptuarit tonë për universin.
Šantić thekson se ky duhet të jetë funksioni më i rëndësishëm i orëve bërthamore.
“Për fizikantët, aplikimi më emocionues dhe më premtues i orës bërthamore është të kontrollojnë nëse konstantet themelore të natyrës, siç është shpejtësia e dritës, janë vërtet konstante”, përfundoi Shantiq.
