Ваша временная координата Физик-теоретик и физик-экспериментатор рассказали о самых точных ядерных часах

В начале марта 2012 года группа ученых из Университета Нового Южного Уэльса, Технологического Института Джорджии и Университета Невады установила, что ядерные часы на основе тория-229 в теории на несколько порядков точнее всех существующих аналогов. В идеале такие часы будут давать погрешность порядка одной десятой секунды за 14 миллиардов лет (для сравнения, время существования Вселенной - 13,6 миллиарда лет).

Как оказалось, работа (препринт) носит не только теоретический характер - сразу несколько групп исследователей по всему миру занимаются вопросами практической реализации часов на тории. Важным шагом в создании работающих часов является поиск частоты фотона, испускаемого при переходе нейтрона в ядре атома этого изотопа. Поиск этот ведется уже несколько десятков лет, однако только в последние годы появилась надежда эту частоту найти. О сути работы, принципах функционирования часов и трудностях, которые приходится преодолевать ученым, "Лента.ру" поговорила с двумя соавторами новой работы - теоретиком Виктором Фламбаумом из Университета Нового Южного Уэльса, Австралия, и экспериментатором Александром Раднаевым из Технологического института Джорджии, США.

Первым мы поговорили с Виктором Фламбаумом.

Лента.ру: Расскажите немного о принципе работы ваших часов.

Виктор Фламбаум: Принцип у наших часов примерно такой же, как и у атомных, так что, наверное, есть смысл рассказать сначала о них. В атоме, как известно, есть электроны. Каждый электрон может быть в обычном или в некотором возбужденном состоянии, то есть двигаться по некой возбужденной орбитали, с большей энергией, чем обычно. При переходе в более низкое энергетическое состояние он излучает электромагнитный квант, свет проще говоря. На улетающий квант света можно смотреть как на осциллирующее электромагнитное поле. Так вот, период осцилляции дает нам единицу времени. Такой способ дает сейчас самый точный способ измерения времени.

С помощью таких колебаний сейчас определяется сама секунда (секунда - это промежуток времени равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями F = 4, M = 0 и F = 3, M = 0 основного состояния атома цезия-133 при абсолютном нуле и отсутствии внешних воздействий — прим. "Лента.ру") по периоду колебаний электромагнитого поля в излучении атома цезия определяют секунду. Эти колебания лежат в радиодиапазоне и до недавнего времени считались самыми точными, поэтому сейчас стандарт времени и стандарт частоты – это цезиевые атомные часы. Со временем, однако, научились делать более точные стандарты – это оптические часы. В них вместо радиочастотного перехода используется переход в атоме или ионе с частотой уже в видимом диапазоне. Точность таких часов примерно в 10 раз выше, чем у цезиевых.

Ядерные часы отличаются от атомных тем, что там переход происходит в ядре. Главная трудность заключается в том, что частоты у этих переходов много выше, чем у атомных — мы говорим уже о рентгеновском излучении и выше. Но оказалось, что есть ядро и ядерный переход, частота излучения которого лежит в "атомном" диапазоне — в ультрафиолетовой части спектра, если быть точным. Этим ядром оказалось ядро изотопа тория-229. Как в атомах снаружи бывает какой-то электрон, так же в этом ядре снаружи оказался нейтрон. Четное число протонов и четное число нейтронов создают поле, в котором этот нейтрон движется. При этом у него есть очень низкое по ядерным масштабам возбужденное состояние. Схема абсолютно та же — возбужденный нейтрон переходит в более низкое энергетическое состояние, испускает фотон, возникает осцилляция и так далее.

Но у ядра есть преимущество перед атомом. Точность атомных часов ограничена тем, что на сам атом или ион (будем для определенности считать, что у нас в часах атом) есть какие-то внешние воздействия. Скажем, захватили этот атом в какую-то ловушку, а ее стенки — источники теплового излучения (даже если они холодные, они все равно немножко излучают). Оно попадает на него и немножечко меняет частоту его излучения. Возникают ошибки в частоте или периоде колебаний, потому что уровни энергий электронов в атоме смещаются . Есть еще электромагнитные поля — вокруг ловушки же приборы работают, поля создают, это тоже влияет на уровни энергий.

А ядро - оно очень маленькое и спрятано глубоко внутри атома, поэтому влияния всех этих внешних факторов на него в тысячи раз меньше. Более того, одна из идей нашей работы заключалась в том, чтобы устранить влияние на ядро электронов в ионе тория. То есть выбрать такое состояние электрона, чтобы он не влиял на частоту ядерного перехода. Это оказалось возможно. В результате, конечно, внешние поля дергают электроны, но они почти не влияют на ядерный переход, то есть их влияние в тысячу раз меньше, чем в случае с атомными часами.

Расскажите, как было обнаружено, что в ионе тория такой переход есть? Это был некий целенаправленный теоретический поиск? Грубо говоря, вы записали какие-то уравнения, вам случайно повезло, или вы просто перебрали всю таблицу Менделеева?

Ну, переход в тории нашли не мы, это сделали два немца из Брауншвейга в Германии — Эккерхард Пайк и Кристиан Тамм. Они даже предложили схему этих ядерных часов, но там не была понятна точность работы такого агрегата. Мы с этими немцами, кстати, тоже написали работу, правда, про другие часы, и она тоже вышла в Physical Review Letters некоторое время назад. Там не было такого красивого заголовка, поэтому она привлекла меньше внимания. В нашей же работе мы аккуратно оценили все погрешности, посмотрели, в каком состоянии должен быть электрон, чтобы он не дергал ядро. То есть это просто другая схема, и сейчас кажется, что она лучше. То есть ошибки при работе такой схемы будут много меньше, чем в нашей работе с немцами.

А могут существовать другие подходящие атомы для такой схемы? Ну то есть не торий?

Ну в данный момент мы ничего лучше не нашли. Тут дело в том, что как я и говорил, ядерные переходы обычно в рентгеновском или гамма диапазоне, а в тории — ультрафиолет. То есть этот переход можно возбуждать лазерами (рентгеновских и гамма-лазеров пока нет), частоту которых можно очень точно настраивать. У нас, правда, есть еще один кандидат, с которым мы только начали работать.

А что за кандидат?

Есть еще уран, в котором частота перехода в 10 раз выше. Лазеров с такой частотой пока в природе тоже нет, однако, люди в Америке и Германии (хотя, по-моему, в основном в Америке) пытаются такие устройства создать. Речь идет о дальнем ультрафиолетовом спектре, почти рентгене. Такие лазеры нужны не только для часов, для многих других приложений, но их появление — это все-таки дело будущего.

Расскажите о возможных приложениях таких ядерных часов (если они будут созданы)?

Во-первых, конечно, навигационные системы - американская GPS или российская ГЛОНАСС. Принцип работы систем такой: фактически измеряется время распространения сигнала от спутника до приемника, который в вашей машине, самолете, ракете или где-нибудь еще. Для измерения времени сейчас используются атомные часы. Появление более точных часов, конечно, приведет к появлению более точной навигации

Масса приложений у таких часов будет и к фундаментальной науке - скажем, проверка общей теории относительности Эйнштейна. Или вот меня особенно заинтересовал вопрос о том, меняются ли фундаментальные постоянные во времени и пространстве. То есть, грубо говоря, законы природы везде во вселенной одинаковые или разные. Из-за этого вопроса я в эту деятельность, по большому счету, и влез.

А вы как считаете, меняется?

Я свое мнение основываю на измерениях, потому что у меня есть другая область деятельности – сотрудничество с астрономами. Мы измеряем по спектрам очень удаленных атомов те же самые фундаментальные постоянные практически на краю видимой Вселенной. Вот астрономические данные показывают, что они другие, что фундаментальные постоянные очень медленно, но меняются на размере видимой Вселенной. И этот факт, который астрономы вроде бы увидели, можно обнаружить с помощью сравнения двух разных, но очень точных часов. Например, ядерные часы и какие-нибудь атомные часы. Сравнить, как они тикают. И если со временем их тиканье меняется, значит, фундаментальные постоянные меняются.

Вы не знаете, подобные исследования в России ведутся?

Я знаю теоретика, который этим занимается. Это доктор Евгений Ткаля (про него "Лента.ру" уже писала — в апреле 2011 года в Physical Review Letters вышла его работа, в которой он предложил схему ядерного лазера). Но он теоретик, а вот экспериментаторов я не знаю. Есть один из московских ученых, который активно занимается этим вопросом, и он мне, кстати, даже переслал русскую статью из интернет-журнала "Мембрана". Он мне тут же переслал, как увидел. Очень хороший теоретик и занимается этим вопросом. Насчет экспериментаторов я не знаю ничего, то есть людей, которые реально делают часы.

Но опять, если частота этого перехода будет найдена, я думаю, дальше это вопрос не такой сложный – сделать конкретные часы, тем более что есть несколько проектов, как их сделать. Я думаю, что после того, как вот этот фундаментальный вопрос о точном измерении частоты будет решен, часы будут сделаны очень быстро. Может быть, и в России тоже. В принципе, в России есть атомные часы, они, по моим понятиям, не самые точные, но они существуют.

****************

Лента.ру: Как мы поняли, основная проблема для создания часов - это, в общем-то, поиск частоты перехода. Расскажите, как он проходит

Александр Раднаев: Вы правильно сказали, основная проблема - этот переход найти. Пока что о нем известно только из косвенных экспериментов ядерной физики, и поэтому погрешность измерения длины волны света, которая могла бы возбудить этот переход, очень большая. Чтобы ощутить, насколько это сложно, могу сказать, что последние измерения показывают, что длина волны будет 160 нанометров плюс-минус 10 нанометров. На самом деле, это очень большой промежуток неопределенности для всех этих оптических переходов, потому что эти 10 нанометров транслируются в неопределенность в частоте в 600 или 800 терагерц. Сам переход очень узкий, величиной порядка 100 микрогерц. То есть неопределенность в переходе составляет 10 в 19-й степени больше, чем ширина самого перехода. Это все равно как искать не просто иголку в стоге сена, а иголку в миллионе стогов сена.

Проблема эта очень уникальная, потому что обычно в оптических диапазонах, где используются электронные переходы, можно косвенными способами померить длину волны перехода с гораздо большей точностью. Когда ищут все эти запрещенные переходы в атомных часах, то уже априори известна длина волны с точностью в миллион раз лучшей, чем в нашем случае. А поскольку комбинация этого ядерного перехода уникальна, то косвенными способами не удается померить этот переход лучше, чем сейчас.

На самом деле люди пытаются найти этот переход уже в течение 30 лет. Все это началось примерно в 1980-х годах, когда впервые ядерные эксперименты показали, что этот переход где-то там существует, и тогда же измерили, что он не 160 нанометров, а примерно 320. 10 лет люди пытались увидеть флуоресценцию (признак перехода - прим. "Лента.ру") на этой длине волны. Ничего не получалось и постепенно эта деятельность угасла. Но недавно, в 2007 году, у ядерщиков появился более точный инструмент. Они измерили, что это 160 нанометров - это объясняет, почему этот переход не нашли раньше. В результате работы по поиску возобновились, и сейчас, насколько я знаю, примерно 8 исследовательских групп по всему миру пытаются найти этот переход в очень разных системах. Можно выделить несколько основных подходов - твердотельный, ионный с одним или трехкратным зарядом.

Наш подход заключается в использовании ионов ²²⁹Th³⁺. Мы ловим такие трижды заряженные ионы в специальные ловушки. Затем светим на них лазером, сканируя частоты в поиске отклика. Это можно представить так - вы хотите настроиться на радиостанцию, но не знаете ее волну, и вы сидите и крутите ручку радиоприемника, и вам нужно сделать примерно 10 в 19-й степени шагов, чтобы найти эту станцию.

10 в 19-ой - довольно подавляющее число. Может быть, есть какие-то теоретические способы сузить эту границу? Мне просто интересно, как вы начинаете - просто выбираете какое-то место из этого промежутка наугад и пробуете?

Теоретически это очень сложно точно посчитать - там сильное взаимодействие, а оно плохо считается руками. Но с экспериментальной точки зрения, есть такой прием, который называется полевое уширение. Он заключается в том, что если у вас есть очень мощный лазер, то тогда этот переход становится как будто бы шире, и число шагов, которые надо сделать, уменьшается. Фактически нужно рассеять на этих ионах определенное число фотонов, и с мощным лазером это можно сделать быстрее, чем со слабым. Все упирается в то, сколько у вас есть денег на то, чтобы купить мощный прибор.

И какого уровня шаги достижимы сейчас, с существующими у вас лазерами?

Сейчас мы собираем лазерную систему, где нам надо будет сделать всего лишь около 1000 шагов. То есть мы настроим наш лазер на одну частоту, посветим на ионы, подождем от 1 до 10 секунд, посмотрим, возбудили ли мы ядро (мы это можем легко заметить по изменению флуоресценции- она на электронных переходах пропадает и атом просто становится темным). А 1000 шагов по 10 секунд - вроде бы, не так уж и долго.

Строительство установки, я предполагаю, закончится уже в ближайшие месяцы. Как вы здесь уже видите (Александр поворачивает камеру на ноутбуке), у нас здесь есть ионная ловушка, где мы уже можем создавать эти трижды заряженные ионы тория-229 и охлаждать их лазером так, что они формируют кристаллы. Они очень холодные, наверное, температура у них порядка 1 милликельвина. И они сидят в ловушке достаточно долгое время.

Сколько примерно в среднем?

Сейчас они живут примерно 20 минут, а потом нам приходится перезагружать ловушку ионами. Сейчас мы делаем как раз другую ловушку, вы ее не видите, она на другом столе. Мы хотим увеличить время жизни ионов в ней до многих часов, чтобы было проще заниматься поиском перехода в тории. На данном этапе основная часть установки уже завершена, мы можем держать эти ионы достаточно долго. В прошлом году мы опубликовали статью в Physical Review Letters на эту тему.

То есть статья была посвящена ловушкам?

На самом деле, с этим торием-229 еще мало кто работает, потому что это очень экзотический элемент. Во-первых, он не встречается в природе, поэтому его нужно покупать у ядерных электростанций - по цене примерно 100 тысяч долларов за миллиграмм. Во-вторых, еще он очень радиоактивный. У нас все, к счастью, держится под контролем, но когда мы собирали эту ловушку, то брали в руки этот торий. Было достаточно интересно потом - счетчики Гейгера зашкаливали.

То есть он дорогой, радиоактивный, его всегда мало, его сложно эффективно загружать в эти ловушки, и структура энергетических уровней в нем очень сложная. Поэтому им манипулировать очень непросто, особенно по сравнению с такими стандартными атомами и ионами, как Rb, Cs, Ba+, Be+, которыми очень легко управлять. Торий - это такой крепкий орешек. Насколько мне известно, никто в мире еще не работает напрямую с торием-229. Все наши конкуренты до сих пор оттачивают инструменты на 232-м изотопе этого элемента, который встречается в природе в металлической форме, дешевый, но в нем нет этого уникального ядерного перехода, который мы ищем.

А конкуренты из каких стран?

Две группы в США, одна из Германии - там, кстати, руководитель Эккерхард Пайк, который всю эту кухню 20-30 лет назад и обнаружил. В Австрии, по-моему, даже создали частную компанию и пытаются найти этот переход, используя кристаллы. Еще я знаю, что в Финляндии есть группа, которая этим занимается. Были статьи из Японии, но сейчас о них что-то не слышно. То есть основные группы работают в США, в Германии, Австрии и Финляндии.

А вот что бы вы как практик могли рассказать про возможное применение подобных часов?

Это, на самом деле, тонкий вопрос, потому что предстоит решить еще очень много технических проблем, чтобы эти часы были применимы на практике.

Например?

Например, основное применение этих атомных часов сейчас - это синхронизация спутников для GPS. И там самое главное для этих часов - надежность. Из-за этого на аппаратах до сих пор применяются микроволновые атомные, а не оптические атомные часы - люди пока боятся ставить туда лазеры, потому что они якобы не такие надежные, как старые лампы.

Но если у нас все получится, то это будет следующее поколение часов, которое заменит все текущие часы, конечно, если все технические проблемы будут преодолены. Потому что по всем параметрам кажется, что этот ядерный переход - намного лучший осциллятор, чем атомные переходы. Он намного сильнее экранирован от внешних возмущений, и это открывает возможность, например, сделать эти ядерные часы на кристаллах, то есть не надо никаких сложных вакуумных камер и так далее. Это было бы здорово. И, конечно, сделать эти часы для так называемого первичного стандарта частоты будет гораздо проще, чем текущие. Например, сейчас текущие атомные часы на цезии имеют стабильность 3 на 10 в минус 16-й.

А что означает эта стабильность?

Эти часы - правильнее их называть первичный стандарт частоты - будут выдавать сигнал на какой-то частоте, и ошибка этой частоты будет 3 на 10 в минус 16-й. То есть если оптическая частота 2 в плюс 15-й терагерца, то это означает, что частота не будет уплывать на уровне 0,6 герца, и это можно транслировать на любые другие часы. В часовых терминах это означает, что эти часы не будут набирать или отставать на одну секунду за много миллионов лет.

Понятно. А эти, как следует из названия работы, дают 10 в минус 19 в теории

Да. Мы полагаем, что этот уровень точности будет достижим, если экспериментальная реализация не даст никаких сюрпризов. 10 в минус 19-й - это такой предел, где нужно говорить не сколько сейчас времени, а, как в StarTrek, называть свою пространственно-временную координату. Все эти пространство, время и гравитация будут настолько завязаны на таком уровне точности, что это уже будут не часы, а какой-то пространственно-временной координатор или как его называть.

Уже сейчас все эти гравитационные эффекты влияют очень сильно - все эти спутники делают существенные поправки на общую теорию относительности Эйнштейна, чтобы правильно высчитывать время. И недавно, например, был показан такой эксперимент на оптических часах на ртути - померили частоту в лаборатории и потом подняли весь аппарат на полметра, и увидели, что частота и поток времени сдвинулись из-за гравитационных эффектов. То есть вся работа уже происходит на таком фантастическом уровне.

Если возвращаться к вопросу применения часов, то главный момент можно выделить такой - если сделать вторичный стандарт частоты на тории, на кристалле, тогда система GPS будет намного точнее и надежнее. Уже сейчас есть такие исследования - американцы могут сажать самолет, полностью управляемый компьютером, в автоматическом режиме на авианосец с помощью сигнала GPS. И сейчас есть ограничение надежности этой методики, потому что когда спутники GPS начинают врать, передавать неправильную информацию, тогда самолет может разбиться. Чем лучше будут часы, тем быстрее можно будет понять, какой из спутников дает неверные координаты, и переключиться на другой. Это, как я вижу, одно из ощутимых ближайших применений. Под ближайшим временем я имею в виду лет 20 или 30.

Ну, это недолго

Ну да. Я вот как раз недавно был в компании Frequency Electronics Inc возле Нью-Йорка. Она производит атомные кварцевые часы для телекоммуникаций, для военных, спутников. Мне показывали, как производятся эти атомные часы из первичных материалов. Они были очень заинтересованы в этом тории. И пока что мы пришли к выводу, что в ближайшие лет 5-10 уж точно до этого дело не дойдет, а там - посмотрим.