Ceasul care nu-ți va mai permite să te scuzi când întârzii

Articolul a apărut inițial pe Motherboard.

„Cât e ceasul?”

Asta e o întrebare pe care o auzim din ce în ce mai rar, odată cu apariția smartphone-urilor, care au devenit printre cele mai avansate device-uri din istorie de monitorizare a timpului. Ceasurile de pe smartphone-uri se bazează pe semnale din spațiu, trimise de la 24 de sateliți GPS, care țin evidența timpului cu ajutorul a patru ceasuri atomice. Acestea măsoară timpul în funcție de electronii dintr-un atom.

De când au fost create pe la mijlocul secolului 20, ceasurile atomice au devenit standardul pentru măsurarea timpului. Într-adevăr, cel mai precis ceas din lume, care este întreținut de Institutul Național de Standarde și Tehnologie din Colorado, este un ceas atomic yterbiu. Dar acum, cercetătorii lucrează la construirea unui model mai bun, care nu se bazează pe electronii unui atom, ci pe nucleu.

Din moment ce protonii și neutronii sunt în nucleu și, prin urmare, există mai puține șanse să fie perturbați de influențe exterioare, cercetătorii consideră că nucleul ar putea deservi în viitor ca baza unui ceas atomic ultraprecis. Într-o lucrare publicată recent în Nature, cercetători din Germania descriu experimentele care arată pentru prima oară cum ar arăta acest ceas, un pas înainte semnificativ în realizarea ceasului nuclear.

În 1955, fizicienii englezi Louis Essen și Jack Parry au construit primul ceas atomic cu precizie, la Laboratorul Fizic Național din Marea Britanie. Acesta funcționa prin expunerea atomilor cesiu-133 într-un vid, la energie cu microunde, după care au măsurat cât de bine absoarbe atomul radiația de microunde.

Electronii orbitează nucleul unui atom la anumite niveluri stabile de energie, care depind de proprietățile electrice ale nucleului în sine. Aceste orbite pot fi schimbate prin adăugarea energiei în sistem, ceea ce face ca electronii să aibă, temporar, un nivel energetic mai mare și emit radiații electromagnetice în timpul schimbului. Diferitele tipuri de atomi sunt capabile să absoarbă energia la diferite lungimi de undă.

În cazul cesiu-133, lungimea de undă este de aproximativ 3,2 centimetri, ceea ce înseamnă că unda oscilează la o frecvență de 9.192.631.770 cicluri pe secundă. Când atomii de cesiu-133 sunt loviți de microunde la frecvența asta, asta provoacă tranzitarea la aceeași rată între stările energetice ale celui mai extrem electron, iar tranziția asta rapidă a fost folosită în 1967 pentru a defini lungimea unei secunde. (O analogie ar fi să consideri atomul de cesiu drept un ceas, iar electronul, pendulul acestuia. Astfel, energia microundelor pune în mișcare pendulul și o dată la 9.192.631.770 de cadențe se marchează o secundă pe fața ceasului).

Metoda asta de a ține evidența timpului cu ceasuri atomice a fost perfecționată în ultimii cincizeci de ani, până în punctul în care cel mai precis ceas din lume deviază doar cu o secundă în 200 de milioane de ani, deși principiile de bază au rămas neschimbate. Cu toate astea, fizicienii s-au întrebat dacă e posibil ca ceasurile atomice să fie și mai precis, prin utilizarea unei frecvențe de tranziție din nucleul atomului, decât din electron. Avantajul unui nucleu este că tranzițiile energetice au loc la frecvențe mult mai mari, decât cele ale electronului, ce ar permite o măsurare și mai precisă a timpului.

Însă excitațiile nucleare necesită niveluri energetice mult mai ridicate decât pentru tranzițiile electronilor, deoarece protonii și neutronii sunt mai dens compactați. În timp ce electronii de cesiu-133 pot fi elevați energetic la o frecvență de aproximativ 9,1 gigahertz (în extrema inferioară a spectrului electromagnetic al microundelor), excitarea nucleului unui atom necesită energie în raza de radiații x, unde frecvențele pornesc de la 30 de petahertz până la 30 de exahertz (citit 30 de cvadrilioane până la 30 cicluri de cvintilion pe secundă). Acest aport mare de energie a făcut ca ceasurile atomice bazate pe tranziții nucleare să fie considerate nefezabile.

Însă, conform unei lucrări publicate în jurnalul Nature, o echipă de cercetători de la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) din Germania s-ar putea să fi găsit excepția de la regulă. Conform unei lucrări, e posibil să exciți nucleul izotopului toriu-229 cu lumină ultravioletă, o cerință energetică mult mai mică, iar lasere similare deja se folosesc în ceasurile atomice actuale. Ba mai mult, echipa PTB au întreprins primele măsurători care ar putea pava calea pentru un ceas atomic pe baza tranzițiilor energetice ale nucleelor de toriu-229.

Deși zece echipe diferite de peste tot din lume explorează posibilitatea unui ceas nuclear cu toriu-229, progresul este încet deoarece încă nu se știe cu exactitate nivelul energetic necesar pentru a excita nucleul de toriu. Pentru a face un ceas nuclear ultraprecis, fizicienii trebuie să introducă frecvența corectă de ultraviolete. Așa cum a spus într-o declarație și fizicianul PTB, Ekkehard Peik, descoperirea frecvenței corecte este ca și cum „ai căuta acul în carul cu fân.”

Deși Peik și colegii săi încă nu au introdus frecvența corectă pentru a excita nucleul de toriu-229, așa cum ar trebui în viitorul ceas nuclear, aceștia au reușit să caracterizeze în cea mai recentă lucrare a lor, cum ar arăta această stare de excitație.

Pentru asta, ei au obținut nuclei de toriu-229 deja în stări excitate, ca urmare a degradării alfa în uraniu-233. Acești ioni au fost capturați și depozitați într-o capcană ion, în care cercetătorii au reușit să măsoare cu precizie frecvențele tranziționale ale electronilor din ionul de toriu. Din moment ce energia electronilor este direct influențată de nucleul atomului, asta a ajutat echipa lui Peik să înțeleagă cum se va comporta nucleul atomului de toriu-229 în timpul unei tranziții provocate de un lase cu ultraviolete.

Chiar dacă nu s-a găsit acul din carul cu fân, adică frecvența UV corectă pentru excitarea nucleului de toriu-229, măcar Peik și colegii săi știu acum cum arată acul.