Атомные часы — это прошлое. Учёные хотят создать ядерные часы из тория-229
Новые часы будут тикать не атомами, а их ядрами — и они настолько точные, что смогут почувствовать тёмную материю
Большинство часов — от наручных до систем GPS и интернета — работают, отслеживая регулярные повторяющиеся движения. Чтобы построить часы, нужно нечто, что тикает идеально повторяемо. В маятниковых часах это регулярное качание маятника. Наша команда физиков изучает, можно ли однажды построить ещё лучшие часы — из атомного ядра. Современные лучшие часы уже используют атомы для сверхточной синхронизации. Но в принципе часы на основе ядра (крошечного плотного центра атома) могли бы держать более стабильный ритм, потому что они менее чувствительны к внешним возмущениям — например, к перепадам температуры. В нашем исследовании, опубликованном в журнале Nature, мы измерили и интерпретировали уникальное ядерное свойство тория-229 в кристалле — это может помочь создать такие ядерные часы.
Сверхточные часы — не просто научный курьёз. Они играют ключевую роль в навигации, связи и международном хронометраже. Улучшение точности времени также открывает двери для новой науки.
Как работают атомные часы
В атомных часах исследователи светят лазером на материал и тщательно настраивают свет до тех пор, пока он не вызовет специфический атомный отклик — обычно перевод электрона с одного энергетического уровня на другой. О том, что это произошло, можно судить по тому, что атомы поглощают свет лазера наиболее сильно, когда его энергия точно соответствует нужной. Это поглощение происходит на исключительно точной частоте. Частота — это то, как часто что-то повторяется с течением времени. Для маятника это количество колебаний в секунду. Для света — количество волновых циклов в секунду. Обнаружив, когда атомы поглощают свет лазера наиболее сильно, учёные могут использовать лазер как метроном. Вместо подсчёта колебаний такие часы считают световые волны.
Чтобы скорость тикания оставалась постоянной, а часы — точными, учёные точно подгоняют энергию лазера под энергию, необходимую для возбуждения электрона в атоме. Поскольку эта энергия задаётся законами физики, атомные часы на основе одного и того же атома тикают с одинаковой скоростью везде во Вселенной — даже инопланетянин согласился бы с вашими часами. Но у этого подхода есть последствия: если что-то меняет энергию атома (например, неучтённое магнитное поле или температура в комнате), часы будут тикать с другой скоростью.
Почему ядро лучше электрона
Глубоко внутри каждого атома есть нечто ещё меньшее — ядро. Сегодняшние атомные часы отслеживают изменения в электронах атома. Ядерные часы, напротив, использовали бы возбуждение в самом ядре, которое гораздо компактнее. Поскольку ядро в 10 000 раз меньше атома, оно гораздо менее чувствительно к температуре, электрическим полям и другим внешним возмущениям. Это делает его привлекательным кандидатом для ещё более стабильных часов. Проблема в том, что природа не делает такие часы лёгкими в создании. Уникальное свойство, которое мы нашли в нашем исследовании, может помочь.
Чем торий-229 особенный?
В одном исключительно редком случае ядро элемента тория-229 обладает свойством, основанным на двух его состояниях: основном и чуть более высокоэнергетическом возбуждённом. Эти состояния представляют собой две разные конфигурации ядра, и учёные могут использовать лазеры для возбуждения ядра из одного состояния в другое. Первым шагом было определить, сколько именно энергии нужно, чтобы перевести ядро тория-229 в возбуждённое состояние. На это ушло почти 50 лет — в 2024 году мы и другие группы наконец это сделали. Этот переход происходит на исключительно высокой частоте — около 2 квадриллионов (2 × 10¹⁵) циклов в секунду.
Затем, чтобы убедиться, что лазер находится на правильной частоте, нужно подтвердить, что ядро действительно возбудилось. До сих пор физики считали, что лучший способ — искать очень слабые вспышки света, которые обычно излучают возбуждённые ядра. Но с этим подходом есть две проблемы. Во-первых, в большинстве материалов ядра тория высвобождают свою энергию не в виде света, а через процесс, называемый внутренней конверсией — энергия передаётся электрону в материале. Во-вторых, даже когда свет испускается, его чрезвычайно трудно обнаружить: он лежит в вакуумном ультрафиолете — части спектра, которую воздух поглощает.
Другой способ «услышать» ядро
В нашей работе мы перевернули проблему. Вместо попыток собрать свет от ядра мы искали напрямую электроны внутренней конверсии, которые оно производит. Мы создали очень тонкий слой диоксида тория (всего несколько десятков атомов) на маленьком металлическом диске. Лазер, настроенный на нужную энергию, возбуждал ядра тория в образце. Когда некоторые из этих ядер расслаблялись, они передавали свою энергию nearby электронам, которые затем могли покинуть поверхность. Мы использовали тщательно расположенные электрические и магнитные поля, чтобы направить эти электроны в детектор.
Сканируя лазер по разным частотам и записывая, сколько электронов мы обнаружили, мы могли измерить, насколько точно энергия лазера соответствует энергии, необходимой для возбуждения ядра. Когда они совпадали, сигнал чётко появлялся в данных. Мы также измерили, как долго возбуждённое ядерное состояние выживает в этом материале до расслабления — это дало нам прямое окно в то, как окружающий материал влияет на ядро. Измерение становится гораздо более мощным в паре с теорией: расчёты могут оценить, как тип используемого материала сдвигает энергию, необходимую для возбуждения тория, и как эффективно он преобразует энергию от ядра в испускаемые электроны.
Почему этот подход важен
Обнаружение электронов вместо света имеет два главных преимущества. Во-первых, оно открывает дверь для изучения тория-229 в гораздо более широком диапазоне твёрдых материалов, включая те, которые исследователи ранее исключали. Ранние подходы работали лучше всего только в материалах, где электроны трудно выбить, что ограничивало выбор. Наш метод снимает это ограничение. Более широкий круг материалов может сделать проектирование и создание будущих ядерных часов проще.
Во-вторых, этот метод может позволить создать новый тип ядерных часов — более простых и потенциально более лёгких в миниатюризации. Вместо чувствительных детекторов света часы на основе этого подхода могли бы считывать время, измеряя крошечный электрический ток, производимый испускаемыми электронами.
Для чего могут использоваться ядерные часы?
Однажды исследователи могут использовать ядерные часы, чтобы проверить, действительно ли фундаментальные константы природы остаются постоянными в течение длительных периодов времени, или искать признаки новой физики — например, тёмной материи. Более стабильные часы также могут улучшить технологии, зависящие от синхронизации времени, такие как продвинутые навигационные системы. Наша работа — ранний шаг в этом направлении. Она не даёт готовых часов, но убирает практический барьер и предоставляет новый экспериментальный инструмент для изучения поведения ядра тория внутри твёрдых тел.
Атомные часы против ядерных: сравнение
| Характеристика | Атомные часы | Ядерные часы (проект) |
|---|---|---|
| Что тикает | Электроны в атоме | Ядро атома (тория-229) |
| Размер «тикающего» объекта | ~0,1 нм (атом) | ~0,00001 нм (ядро — в 10 000 раз меньше) |
| Чувствительность к помехам | Высокая (температура, магнитные поля) | Низкая (ядро гораздо стабильнее) |
| Частота перехода | ~10¹⁵ Гц (видимый/УФ свет) | ~2 × 10¹⁵ Гц (вакуумный УФ) |
| Современный статус | Работают (GPS, интернет) | Экспериментальный прототип |
- Почему ядро тория-229 особенное? У него есть два состояния (основное и возбуждённое) с очень маленькой разницей в энергии — это единственное известное ядро, которое можно возбудить лазером.
- 50 лет поисков: только в 2024 году удалось точно измерить энергию перехода тория-229.
- Вместо света — электроны: наш метод детектирует электроны внутренней конверсии, а не вакуумный ультрафиолет (который поглощается воздухом).
- Практическое преимущество: такой подход может привести к миниатюрным ядерным часам, которые считывают время через электрический ток.
- Применение в будущем: проверка фундаментальных констант на постоянство, поиск тёмной материи, сверхточная навигация.
Итог: Атомные часы — это уже невероятная точность. Но если добавить в игру ядро, можно получить часы, которые не собьются даже от температуры, магнитных полей и прочих капризов окружающей среды. Мы не построили такие часы — но мы нашли способ их «слушать» через электроны, а не через свет. И это снимает один из главных барьеров на пути к тому, чтобы однажды заменить атомные часы ядерными.
ДРУГИЕ СТАТЬИ
05.06.2026
Должен ли ИИ сообщать о пользователе, замышляющем насилие? Юристы ищут ответ
10 февраля 2026 года 18-летняя Джесси Ван Рутселар застрелила восемь человек и покончила с собой в массовом расстреле в Тамблер-Ридж, Британская Колумбия. OpenAI ранее отмечала её разговоры с ChatGPT как содержащие «тревожное увлечение крайним насилием» и приостановила её аккаунт, но, по сообщениям, компания не уведомила правоохранительные органы. 2 октября 2025 года молодой человек Джонатан Гавалас во Флориде покончил с собой после того, как, по описанию в иске его отца, у него
03.06.2026
Ваш банк заблокировал платёж через ИИ? Что делать, если алгоритм ошибся
Представьте: вы на кассе в супермаркете. Тележка полна, за вами очередь. Вы прикладываете карту — отказ. Пробуете снова — отказ. Вы не потратили лишнего, не делали ничего подозрительного. Но где-то в компьютерных системах банка машина приняла решение о вас быстрее, чем вы моргаете — и ошиблась. Что произошло? И почему это продолжает случаться с людьми, которые не сделали ничего плохого?
Это не редкий сбой. Это происходит с миллионами людей каждый день. И большинство из нас
02.06.2026
Эволюция на службе человека: от антенн для спутников до новых методов лечения рака
У NASA была большая — и маленькая — проблема. Для небольшого спутника агентству нужна была крошечная антенна с очень специфическими возможностями связи и очень строгими ограничениями по размеру и весу. Агентство передало проблему команде дизайнеров, которые умели моделировать то, как естественный отбор создаёт решения. Дизайн с использованием естественного отбора основан на простой, но мощной идее: когда существуют изменчивые наследуемые признаки и одни в
01.06.2026
Как борьба Голливуда с видеозаписью привела к запрету на ремонт вашего телефона
Если вы когда-нибудь пытались что-то починить, понимали, что это выходит за рамки ваших финансовых или технических возможностей, и в итоге покупали новое — вы не одиноки. Ремонт электроники и бытовой техники в США уже десятилетия не является реальным вариантом, особенно для устройств с проприетарным программным обеспечением. Абсурдные ситуации множатся: новый принтер может стоить примерно столько же, сколько замена картриджа. Министерство обороны США не може
ПИШИТЕ
Техническая поддержка проекта ВсеТут