В Атомном институте Венского технического университета (TU Wien) заработали первые ядерные часы, которые сами держат свой ритм: установка на тории-229 проработала больше суток без вмешательства людей и без опоры на обычные атомные часы. Это первый шаг к часам, в которых «маятником» служит не электрон, а атомное ядро — а ядро почти не замечает внешних помех.
Работа опубликована в журнале Nature под названием «A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop», о ней 7 октября сообщил пресс-релиз TU Wien. Руководитель группы — профессор Торстен Шумм, первый автор статьи — Лука Тоскани де Коль; в числе соавторов — команда Экехарда Пайка из немецкого метрологического института PTB в Брауншвейге.
Что именно построили в Вене?
Сердце установки — кристалл с атомами тория, выращенный в самом TU Wien. На него светит лазер. Ядра тория-229 поглощают свет только на одной, строго определенной частоте. Стоит лазеру чуть «уплыть» — поглощение падает, система это замечает и возвращает лазер точно на нужную частоту.
Получается петля обратной связи: ядра сами говорят лазеру, правильно ли он тикает. Раньше для этого нужны были обычные оптические атомные часы рядом — теперь нет. Шумм формулирует цель коротко: ученым нужны были именно «самостабилизирующиеся ядерные часы».
Почему торий, а не цезий или стронций?
Атомные часы считают время по переходам электронов. Ядерные — по переходу самого ядра между двумя энергетическими состояниями. У большинства ядер эти состояния разделены огромной энергией, и обычным лазером их не «переключить». Торий-229 — редкое исключение: его два уровня лежат необычно близко, поэтому переход можно вызвать лазерным светом.
Идею таких часов Пайк и его коллега Кристиан Тамм предложили еще в 2003 году, но два десятилетия ее не удавалось реализовать. Преимущество в размере: ядро более чем в 10 000 раз меньше атома и гораздо слабее реагирует на электрические и магнитные поля, которые сбивают ход атомных часов.
Насколько точны новые часы?
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Элемент | Торий-229 в кристалле |
| Работа без вмешательства | более 24 часов |
| Относительная точность | около 10⁻¹⁵ (измерено за сутки) |
| В пересчете | примерно 1 секунда ошибки за 30 млн лет |
| Ядро против атома | в 10 000+ раз меньше |
| Публикация | Nature, октябрь 2026 |
Цифра «секунда за 30 миллионов лет» — пересчет, а не эксперимент длиной в эпоху: измерения шли одни сутки. И авторы не скрывают, что до лучших оптических атомных часов прототип пока не дотягивает — рекордные стронциевые и иттербиевые часы уже работают на уровне порядка 10⁻¹⁸. Но для первой самостоятельной ядерной установки результат Шумм называет фантастическим.
Почему это важно
Точное время — это не только про часы на стене. На нем держатся спутниковая навигация, синхронизация сетей и самые тонкие физические эксперименты. Ядерные часы обещают новый класс измерений: поскольку ядро почти не слышит внешний «шум», такие часы могут оказаться и точнее, и устойчивее атомных — в том числе вне идеальной лаборатории.
Факт для разговора: официальная секунда до сих пор определяется по атомам цезия — с 1967 года. Если ядерные часы оправдают ожидания, через какое-то время секунду могут «привязать» уже не к электронам, а к атомному ядру.
Как к этому шли?
- 2003 — Пайк и Тамм предлагают использовать ядро тория-229 как часовой переход.
- Апрель 2024 — команды Шумма и Пайка впервые возбуждают ядро тория лазером.
- Осень 2024 — ториевую установку соединяют с обычными оптическими атомными часами: ядра уже служат часовым сигналом, но с «подстраховкой».
- 2026 — первая ядерная установка, которая стабилизирует себя сама.
Что дальше?
Следующие шаги в TU Wien называют прямо: более мощные лазеры и более качественные кристаллы тория. Именно эти улучшения, по расчетам физиков, могут вывести ядерные часы за пределы возможностей нынешних атомных. Конкретных сроков в пресс-релизе нет — так что «ядерного GPS» в смартфоне в ближайшие годы ждать не стоит.
Неделя вообще выдалась богатой на точные измерения: например, астрономы разглядели в архивных данных телескопа «Хаббл» планету, которая, похоже, родилась уже после гибели своей звезды, — подробности в материале о планете второго поколения.
Фото: установка ядерных часов в Атомном институте TU Wien. Matthias Heisler / TU Wien, idw-online.de.
