Виенският ядрен часовник работи, но се колебае

На 7 октомври 2026 г. два екипа съобщиха в Nature, че са създали часовници, при които атомното ядро непрекъснато поддържа лазера настроен (публикация на виенския екип, публикация на пекинския екип). Виенският прототип работи повече от 24 часа без човешка намеса (пълен текст на виенското изследване, Pro-Physik). И двата часовника обаче са значително по-нестабилни от най-добрите атомни часовници. Те предлагат нова отправна честота, с която учените биха могли да проверят дали фундаменталните константи на физиката се променят с времето.

Представете си певица, която задържа тон, като се ориентира по камертон. Ако гласът ѝ се отклони, ухото ѝ долавя разликата и тя се коригира. Оптичните атомни часовници работят по сходен начин: лазерът задава ритъма, а преходът между енергетични нива на електроните в атома служи за камертон.

При торий-229 камертонът е в атомното ядро. То може да преминава между две състояния под въздействието на ултравиолетова светлина с дължина на вълната около 148 нанометра (съобщение на ПТБ). И двата екипа вградили торий в кристали от калциев флуорид — прозрачен материал, който задържа атомите на място. Когато лазерът достигне точната честота, ядрата поглъщат малка част от преминаващата през кристала светлина.

Това слабо отслабване на светлината дава сигнал за настройка на часовника. Електрониката леко променя честотата на лазера в двете посоки, а детектор проверява от коя страна светлината отслабва повече. Така регулаторът разбира накъде да насочи лазера, за да го върне към точната честота — както певицата чува дали тонът ѝ е завишен или занижен.

През 2024 г. изследователи показаха, че лазерът изобщо може да възбуди този ядрен преход (изследването за възбуждането от 2024 г.). Новата стъпка, за която писахме в сряда (To Brief), е обратна връзка, която работи непрекъснато. Ядрото поддържа лазера настроен през цялото време, докато часовникът работи.

Два екипа, два начина да стабилизират лазера

Във Виена работата е разделена. Оптичен резонатор — две насрещни огледала, които задържат светлината и намаляват краткотрайните ѝ колебания — успокоява лазера от момент на момент. Сигналът от тория коригира по-бавния дрейф, който резонаторът не може да улови сам (ТУ Виена). ТУ Виена отгледа кристала, а германският институт по метрология ПТБ изработи ултравиолетовия лазер заедно с берлинския институт „Макс Борн“ (изследователска група на ПТБ).

Екипът от Пекин, ръководен от Университета Цинхуа (Университет Цинхуа), отчете по-нисък коефициент на нестабилност от виенския. Този показател измерва колко се колебае честотата на часовника при усредняване за кратки интервали; по-ниската стойност означава по-стабилен ход. За Пекин тя е 5 × 10⁻¹³ (Science Media Centre), а за Виена — 3 × 10⁻¹² (пълен текст на виенското изследване).

Пекинският екип сравнил и два отделно отгледани кристала. Честотите им се различавали само с 2,8 × 10⁻¹³ в относително изражение (публикация на пекинския екип). Два камертона, изработени в различни работилници, все пак издават почти еднакъв тон. Това е първи знак, че ядрената отправна честота може да бъде възпроизведена.

Все още далеч зад атомните часовници

В сравнение с най-добрите часовници, основани на електронни преходи, и двата прототипа се колебаят много повече. Виенската нестабилност е около 8 600 пъти по-голяма, а пекинската — около 1 400 пъти по-голяма от тази на часовника с алуминиев йон на американския Национален институт за стандарти и технологии (НИСТ, изследване на НИСТ за часовника с алуминиев йон).

Виенският екип се сблъска и с проблем в материала. Когато изследователите променяха пътя на лазера през кристала, измерената честота се изместваше с до около 1,7 килохерца — повече, отколкото може да се обясни с измервателния шум. Вероятно причината са вътрешни напрежения и дефекти в кристала (пълен текст на виенското изследване). Остава да се провери дали по-качествено отгледани кристали и по-прецизен контрол върху мястото, през което минава лъчът, ще намалят това отместване.

Защо учените продължават с часовник, който изостава толкова много? Сравнението между два часовника, основани на различни физични явления, може да служи като детектор. Виенският екип сравни своя часовник с йонен часовник с иттербий в австрийската федерална служба по метрология и геодезия (БЕВ). Той служеше само за еталон и не участваше в обратната връзка. Според екипа честотата на ядрения преход би се променяла по различен начин от тази на часовниците, основани на електронни преходи, ако природните константи се изменят (публикация на виенския екип).

Някои модели на тъмната материя предвиждат именно такава промяна, която би изглеждала като бавно периодично колебание. Виенският екип потърси такива сигнали при сравнението, но нищо не премина прага на откриване. Резултатът задава горни граници за силата на възможния ефект, но не е откритие.

Секундата все още се определя чрез атомите на цезия и тези прототипи не променят това (Международно бюро за мерки и теглилки). Виена показа, че атомното ядро може цял ден да поддържа лазера настроен, а Пекин — че два кристала могат да дадат близки честоти. За да се превърнат тези резултати в по-точна проверка на законите на физиката, производителите на кристали и лазери трябва да постигнат еднаква честота при различните образци.