Torija pulksteņi atpaliek no atomu pulksteņiem

Pētnieku grupas Vīnē un Pekinā izveidojušas pirmos pulksteņus, kas notur lāzeru noregulētu uz pāreju atoma kodolā, par atskaites punktu izmantojot toriju-229 (Reuters). Sen apspriesta ideja pārtapusi laboratorijā strādājošā iekārtā. NIST fiziķis Kails Belojs izdevumam Chemical & Engineering News teica, ka prototipi precizitātes un stabilitātes ziņā „atpaliek par vairākām kārtām” no labākajiem optiskajiem atomu pulksteņiem (C&EN).

Fiziķi vēlas izmantot kodolu kā atskaites punktu, jo uz to iedarbojas citi spēki nekā uz elektroniem, pēc kuriem darbojas parastie atomu pulksteņi. Abu veidu pulksteņu salīdzināšana ļauj pārbaudīt, vai dabas likumi laika gaitā paliek pilnīgi nemainīgi.

Kā kristāls kļūst par pulksteni

Abas grupas laiž ultravioleto lāzera gaismu cauri kristāliem ar torija-229 piemaisījumu un gaismā, kas iznāk otrā pusē, meklē vāju kritumu (To Brief). Tas parādās, kad lāzers sasniedz precīzu frekvenci, ko absorbē kodoli. Fiziķi šo precīzo frekvenci sauc par rezonansi.

Vienreiz atrast šo kritumu ir vieglāk nekā noturēt lāzeru uz tā. Tāpēc grupas mēra absorbciju nedaudz virs un nedaudz zem izraudzītās frekvences. Ja lāzers atrodas precīzi centrā, abās pusēs absorbcija ir vienāda. Ja frekvence aizslīd, vienā pusē absorbcija kļūst lielāka, un šī atšķirība vadības sistēmai norāda, kurā virzienā lāzers jāpārregulē.

Iedomājieties, ka miglā stāvat uz kalna un neredzat virsotni. Taču, sperot soli pa kreisi un pa labi, varat saprast, uz kuru pusi zeme slīp. Šāda nepārtraukta korekcija pārvērš lāzeru par pulksteni.

Trīs iemesli, kāpēc pulkstenis var atpalikt

Vannas istabas svari un pārbaudes atsvars palīdz nošķirt trīs jēdzienus. Stabilitāte raksturo, cik ļoti rādījums svārstās, kamēr atsvars stāv uz svariem. Atkārtojamība rāda, vai nākamajā dienā tie pašu atsvaru uzrāda ar to pašu skaitli. Precizitāte norāda, vai skaitlis atbilst atsvara patiesajai masai.

Lai raksturotu stabilitāti, fiziķi izmanto „nestabilitātes koeficientu” — tas parāda, cik ļoti laika gaitā mainās pulksteņa gaita, aprēķinot vidējo noteiktā laikposmā. Jo mazāks koeficients, jo labāk. Pekinas grupa 3,8 stundu mērījumu sērijā ziņoja par 5 × 10⁻¹³ (Beijing manuscript). Vīnes pulkstenis darbojās bez uzraudzības veselu diennakti, un tā koeficients bija 3 × 10⁻¹² (Vienna Nature paper).

Salīdzinājumam: publicētais alumīnija jona atomu pulksteņa rezultāts ir aptuveni 3,5 × 10⁻¹⁶ (aluminium-ion clock paper, NIST record). Katra pakāpe eksponentā nozīmē desmitkārtīgu atšķirību; šādu plaisu Belojs raksturoja kā „vairākas kārtas”. Abas kodolpulksteņu grupas izmantoja atšķirīgas iekārtas un vidējošanas laikus, tāpēc Pekinas zemākais rādītājs pats par sevi nenozīmē, ka tās pulkstenis kopumā ir labāks.

Šie skaitļi raksturo tikai īstermiņa svārstības. Neviena grupa vēl nav publicējusi pilnu precizitātes kļūdu budžetu — visu faktoru izvērtējumu, kas var novirzīt pulksteni no patiesās frekvences. Tāpēc precizitātes atšķirību pagaidām nevar izteikt skaitļos.

Atskaites punkts, kas mainās

Izmērītā absorbcijas līnija ir arī plata. Pekinas grupa izraudzītajai līnijai noteica aptuveni 27 kilohercu platumu (Physics World). Plata līnija ir izplūdis mērķis, tāpēc vadības sistēmai grūtāk noteikt tās precīzu centru.

Otra problēma atklājās Vīnē. Pētnieki pārvietoja lāzera staru starp pieciem punktiem vienā un tajā pašā kristālā un konstatēja, ka rezonanses centrs mainās līdz pat aptuveni 1,7 kilohercu robežās, lai gan ar nejaušu mērījumu izkliedi būtu izskaidrojami tikai aptuveni 0,13 kilohercu (Vienna manuscript). Tātad šķietamā atskaites frekvence mainījās atkarībā no vietas, kur lāzers skāra kristālu — līdzīgi kā svari, kas rāda atšķirīgi atkarībā no tā, kur uz tiem novieto atsvaru.

Grupa vēl nav noteikusi cēloni. Viens no piedāvātajiem risinājumiem ir panākt, lai lāzera stars ikreiz virzītos pa pilnīgi vienādu trajektoriju. Šī nevienmērība palīdz izskaidrot, kāpēc Vīnes grupas dažādās dienās iegūtās frekvences sakrita tikai aptuveni 5 × 10⁻¹³ robežās — vājāk, nekā varētu spriest pēc atsevišķiem mērījumiem (Vienna Nature paper).

Vīnes un Pekinas grupas ir parādījušas, ka kristālā esošie kodoli var vadīt lāzeru un noturēt to noregulētu stundām, pat veselu diennakti. Izmērītā stabilitāte joprojām ievērojami atpaliek no labākajiem optiskajiem pulksteņiem, bet precizitāte vēl nav novērtēta. Oficiālo sekundi joprojām definē cēzija atoms (BIPM). Nākamais solis ir konkrēts: atkārtot mērījumus dažādās dienās un ar dažādām iekārtām, uzskaitīt katru sistemātisko nobīdi un pēc tam ilgstoši salīdzināt kodolpulksteņus ar optiskajiem atomu pulksteņiem.