Autor Caleb Davies
Thorsten Schumm je urar, ali ne onaj koji sjedi za radnim stolom prekrivenim oprugama i zupčanicima, s povećalom u jednom oku. Ne, on izrađuje potpuno drugačiji sat.
Atomski satovi mogu zvučati poznato, no ako Schummovo istraživanje pođe po planu, rezultat bi mogao biti nuklearni sat. No, umjesto da govori koliko je sati, mogao bi pomoći u otkrivanju nekih od najstrože čuvanih tajni svemira.
„Još uvijek je to samo san,” kaže Schumm, profesor na Tehničkom sveučilištu u Beču u Austriji. „Nitko ne zna kako ga napraviti.”
On to namjerava promijeniti i pritom rasvijetliti neke od temeljnih sila prirode.
POGLEDAJTE VIDEO:
Djelić sekunde
Sat se može temeljiti na bilo čemu što oscilira u pravilnim intervalima i može se očitati. Prvi satovi bili su mehanički. Mnogi ručni satovi danas koriste elektromehaničke oscilacije kvarcnog kristala.
No, tehnologija satova napredovala je 1950-ih pojavom atomskih satova.
Atomi se sastoje od jezgre okružene oblakom elektrona koji kruže. Otkucaj atomskog sata ovisi o „kvantnim prijelazima” tih elektrona.
Ovako to funkcionira. Elektroni mogu apsorbirati paket energije, koji ih pomiče iz „osnovnog stanja” u „pobuđeno stanje” veće energije. Zatim se mogu vratiti u osnovno stanje, oslobađajući taj paket energije na svom putu prema dolje.
Ovi energetski prijelazi događaju se s određenom učestalošću koja se može upotrebljavati za mjerenje vremena. Sve se to događa nevjerojatno brzo.
Na primjer, jedna sekunda je službeno definirana kao 9 192 631 770 oscilacija energetskog paketa koji pobuđuje atom cezija-133.
Atomski satovi su toliko precizni jer proizvode jako puno oscilacija, ili otkucaja. Dakle, ako mehanizam za očitavanje promaši jedan ili dva od njih, načelno to nije problem jer ih ima više od 9 milijardi u sekundi.
Nuklearni su satovi drukčiji. Otkucaj ne bi ovisio o elektronima nego o vibracijama same jezgre. Oni su puno brži od otkucaja prijelaza elektrona.
No, kako kaže Schumm, nastavlja se rad na stavljanju i radu nuklearnog sata.
Sretna slučajnost
Zainteresirao se za rješavanje ovog nuklearnog misterija djelomice iz puke slučajnosti.
Ispostavilo se da je rijedak izotop elementa torija-229 daleko najlakši materijal od kojeg se može napraviti nuklearni sat. To je zato što se smatra da ima najsporije otkucaje od svih jezgri. Osim toga, institut na kojem Schumm radi jedno je od rijetkih mjesta kojemu je ovaj materijal dostupan.
Torij-229 ne pojavljuje se u prirodi. Dobiva se samo nuklearnim raspadom određenih vrsta urana.
Tehničko sveučilište u Beču ima ugovor s Nacionalnim laboratorijem Oakridge u SAD-u koji mu omogućuje dobivanje nešto torija-229 iz ostataka urana korištenog u nuklearnim testovima prije nekoliko desetljeća.
Schummu nije promaklo da njegovo ime i ime elementa potječu od mitskog nordijskog boga Thora.
„To me zaintrigiralo”, rekao je.
Krajnje je vrijeme
Od 2020. Schumm provodi osnovno istraživanje o stvaranju nuklearnog sata u okviru projekta ThoriumNuclearClock kojega financira EU i koji traje do početka 2026.
On i njegov kolega profesor Ekkehard Peik s Njemačkog nacionalnog instituta za mjeriteljstvo u Braunschweigu dijele ulogu glavnih istraživača na projektu, zajedno s Mariannom Safronovom sa Sveučilišta Delaware u SAD-u i Peterom Thirolfom s LMU München u Njemačkoj.
Da bi nuklearni sat otkucavao, potrebno ga je potaknuti laserom postavljenim na preciznu razinu energije. No, za većinu jezgri potrebna energetska frekvencija nije ni blizu dostupna trenutačnom laserskom tehnologijom.
Torij-229 jedna je od najvećih stabilnih jezgri koje postoje. Smatralo se da bi mogao usvojiti stanje s vrlo niskom energijom koje trenutačni laseri mogu doseći, iako nitko zapravo ne razumije kako i zašto to čini.
„Za početak, nije bilo baš jasno da to stanje torija-229 postoji”, rekao je Schumm.
Sada se zna da postoji. Godine 2020. Schumm i njegovi kolege objavili su mjerenje energetske razine izotopa. Od tada su nastavili razvoj temeljen na toj spoznaji.
Sve to otvara put stvarnom testiranju sata. Schumm i njegovi kolege istraživači radili su na izradi lasera koji je posebno dizajniran da pokrene torij točno na pravoj frekvenciji.
Uskoro planiraju prvi put usmjeriti ovaj laser na neke zarobljene atome torija u pokušaju da počnu kucati.
„Vrlo smo uzbuđeni zbog ishoda ovog eksperimenta jer je to nešto što nikada prije nije učinjeno”, rekao je Peik. „I mi i drugi pokušavali smo slične eksperimente s torijem-229 u prošlosti, no bez uspjeha. Smatramo da smo ovaj put puno bolje pripremljeni.”
Kristalno jasno
Za te pokuse, atomi torija držat će se u atomskim zamkama - što je vrlo zahtjevan posao. Dakle, dok je projekt ThoriumNuclearClock već bio u tijeku, Schumm je također vodio dvogodišnji projekt kojega financira EU pod nazivom CRYSTALCLOCK, a koji je imao za cilj razviti jednostavniji dizajn i mehanizam očitavanja za nuklearni sat.
Ideja je ovdje bila uzgojiti kristal koji se sastoji od kalcijevog fluorida i dobiti raspršene atome torija-229 raspoređene kroz materijal. To daje čvrsti materijal s kojim je mnogo lakše raditi nego s atomskim zamkama.
Schumm i njegovi kolege, uključujući dr. Tomasa Sikorskog, objavili su 2022. godine rad koji pokazuje da bi se ovi kristali dopirani torijem mogli uzgajati. Sljedeći korak bit će početak rada na tome kako se otkucaj ovih kristala može očitati.
Schumm kaže da bi se tehnika nazvana nuklearna tomografija mogla prilagoditi za tu svrhu i da bi cijeli proces bio puno lakši od upotrebe atoma torija u zamkama.
Sile prirode
Ovo je vrijedno truda ne zato što su potrebni precizniji satovi, već zato što se može testirati temeljno razumijevanje ljudskog roda o tome kako funkcionira stvarnost.
Najbolje teorije fizike objašnjavaju da svemir ima četiri temeljne sile: gravitaciju, elektromagnetizam, slabu nuklearnu silu i jaku nuklearnu silu. Snaga tih sila je poznata i ti se brojevi često nazivaju temeljnim „konstantama”.
No, nije poznato je li snaga tih sila bila, i hoće li uvijek biti, ista. Postoje naznake da su sile bile puno jače u dalekoj prošlosti, u razdoblju oko Velikog praska, a možda se još uvijek mijenjaju u najmanjoj mogućoj mjeri.
Atomski i nuklearni satovi mogu omogućiti da se to ispita. Na otkucaj atomskog sata pretežno utječe sila elektromagnetizma, pa ako se brzina otkucaja počne mijenjati, to bi značilo pomicanje temeljne sile.
Međutim, elektromagnetizam je vrlo slab, tako da atomski satovi, usprkos svojoj preciznosti koja oduzima dah, možda nikada neće moći uhvatiti nikakvu promjenu.
Nasuprot tome, otkucaji nuklearnog sata su pod utjecajem jake sile. Dakle, ako i kada bude stvoren nuklearni sat koji funkcionira, mogao bi se upotrebljavati za praćenje postoje li promjene u jakoj sili tijekom vremenskih razdoblja.
„Prelazak s atoma na jezgru ne znači nužno dobivanje boljeg sata”, rekao je Schumm. „Zapravo, vrlo je vjerojatno da prvi nuklearni sat neće biti tako dobar kao najbolji atomski satovi. Bit je više u tome da imamo potpuno novu vrstu tehnologije koja bi u osnovi mogla testirati jaku silu.”
Istraživanja u ovom članku financirali su Europsko istraživačko vijeće EU-a i program Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA). Ovaj je članak izvorno objavljen u časopisu Horizon, časopisu za istraživanje i inovacije EU-a.