นักวิทยาศาสตร์กำลังสร้างนาฬิกานิวเคลียร์ทำไม เพราะนาฬิกาอะตอมไม่สมบูรณ์แบบ

ภารกิจในการสร้างนาฬิกาที่ช่วยให้เวลาได้อย่างแม่นยำนั้นแตกต่างจากการทำงานของนาฬิกา นาฬิกาปกติช่วยให้เราใช้งานได้ดีในแต่ละวัน แต่การวิจัยทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่ใช้การวัดที่ละเอียดอ่อนนั้นจำเป็นต้องใช้นาฬิกาที่สามารถวัดระยะเวลาด้วยความแม่นยำสูงสุด ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์คิดค้นนาฬิกาอะตอม - และในขณะที่พวกเขามีความแม่นยำในการรักษาเวลามากกว่าระบบทั่วไปยังคงมีห้องสำคัญสำหรับการปรับปรุง ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์กำลังเคลื่อนย้ายจากโลกอะตอมไปสู่นิวเคลียร์ การศึกษาใหม่ตีพิมพ์ใน ธรรมชาติ แสดงให้เห็นว่านักฟิสิกส์ชาวเยอรมันได้พัฒนานาฬิกาที่สามารถสูญเสียน้อยกว่าหนึ่งในสิบของทุก ๆ 20 พันล้านปี - ขึ้นอยู่กับว่าคุณจะมองอย่างไร - ดีกว่าเทคโนโลยีอะตอมปัจจุบันถึง 10 เท่า

แต่ก่อนที่เราจะขนานนามว่านาฬิกาอะตอมล้าสมัยลองพิจารณาสิ่งที่ทำให้พวกมันแตกต่างจากบรรพบุรุษที่แกว่งไปแกว่งมา

นาฬิกาทุกเครื่องใช้เครื่อง resonator เพื่อติดตามเวลา Resonator เป็นกลไกที่ใช้ในการทำให้เข้าใจง่าย“ เห็บ” เป็นประจำ นาฬิกาเก่าใช้ลูกตุ้มและเกียร์เป็นตัวสะท้อน นาฬิกาดิจิตอลใช้การสั่นบนสายไฟหรือคริสตัลควอตซ์เป็นแร่ นาฬิกาอะตอมนำความคิดนี้ไปข้างหน้าเพียงไม่กี่ก้าวโดยใช้ความถี่เรโซแนนซ์ของอะตอมเองเป็นตัวสะท้อน ในระบบนี้ resonator นั้นควบคุมโดยการแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากการเปลี่ยนควอนตัมของอะตอม กล่าวอีกนัยหนึ่งนาฬิกาอะตอมติดตามเวลาด้วยการวัดการเปลี่ยนแปลงพลังงานในอนุภาคอะตอม

สำหรับองค์ประกอบบางอย่างและไอโซโทปของพวกมันจะเกิดขึ้นที่ความถี่สม่ำเสมอ เช่น Cesium-133 แกว่งไปมาที่ 9,192,631,770 รอบต่อวินาที นั่นเป็นเหตุผลที่มันถูกใช้เพื่อสร้างนาฬิกาอะตอมแรกที่ National Physical Laboratory ในสหราชอาณาจักรในปี 1955

ตั้งแต่นั้นมาความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีจำนวนมากได้นำไปสู่การนาฬิกาอะตอมที่แม่นยำยิ่งขึ้น - รวมถึงการทำความเย็นด้วยเลเซอร์และการดักจับอะตอม, สเปกโตรสโคปีเลเซอร์ที่แม่นยำยิ่งขึ้นและการหาองค์ประกอบไอโซโทปอื่น ๆ ที่แสดงความถี่เรโซแนนท์ที่สอดคล้องกัน เจ้าของสถิติปัจจุบันสำหรับการอ่านค่านาฬิกาอะตอมที่แม่นยำที่สุดบนอิตเทอเรียมไอออน

เหตุผลที่นาฬิกาอะตอมมีความสำคัญอย่างยิ่งเกี่ยวกับข้อเท็จจริงที่ว่านาฬิกาวัดเวลาแตกต่างกันในระดับความสูงที่แตกต่างกัน นาฬิกาไกลออกไปจากแหล่งกำเนิดหลักของแรงโน้มถ่วงเวลาที่ผ่านไปเร็วขึ้น (เช่นนาฬิกาจะวิ่งเร็วขึ้นที่ภูเขาเอเวอร์เรสต์กว่าระดับน้ำทะเล) ความแตกต่างนั้นดูเล็กน้อย แต่สามารถเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปมากขึ้น

เทคโนโลยีของเรามากมายในทุกวันนี้ทำงานเป็นแอปพลิเคชันระดับโลกเช่น GPS เพื่อให้แน่ใจว่าพวกเขาจะทำงานในเวลาเดียวกันไม่ว่าใครจะอยู่ที่ไหนพวกเขาจะต้องถูกผูกติดโดยตรงกับนาฬิกาที่ถูกต้อง ไม่มีวิธีที่ดีกว่าในการรับรองว่าจะใช้นาฬิกาอะตอมมิกเป็นมาตรฐาน ในการศึกษาล่าสุดทีมวิจัยของเยอรมันได้สรุปแนวคิดที่จะวัดการแกว่งของนิวเคลียสอะตอมของธาตุโดยตรง (ตรงข้ามกับอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส) นาฬิกาอะตอมตามการออกแบบนี้สามารถหลีกเลี่ยงการได้รับอิทธิพลจากแรงภายนอก ทีมวิจัยระบุสถานะการกระตุ้นในไอโซโทปของทอเรียม, Th-229m, ที่สามารถทำงานได้ - และแสดงให้เห็นถึงผลการทดลองที่สนับสนุนความคิดนี้

มีเพียงปัญหาเดียว: Th-229m ไม่ได้เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ แม้ว่าผลการศึกษาใหม่นั้นน่าประทับใจ แต่ก็ไม่มีความชัดเจนว่านักวิจัยสามารถเก็บเกี่ยว Th-229m ให้เพียงพอเพื่อสร้างและรักษานาฬิกานิวเคลียร์ได้อย่างไร นักวิจัยได้รับ Th-229m ในกรณีนี้โดยใช้ uranium-233 เป็นแหล่ง ไม่ใช่กระบวนการที่ง่าย

หากนักวิทยาศาสตร์คิดหาวิธีแก้ไขปัญหาเล็ก ๆ น้อย ๆ นั้นและสร้าง Th-229m ในปริมาณที่ยั่งยืนเรากำลังมองหานาฬิกาอะตอมรุ่นใหม่ที่จะมีบทบาทสำคัญอย่างไม่ต้องสงสัยเมื่อเราสร้างเทคโนโลยีมากขึ้นเรื่อย ๆ ที่ครอบคลุมทั่วโลกและ ให้บริการผู้คนในทุกมุมโลก