Genvurdering af tid og rum – Hvordan thorium er på vej til at spille en rolle

Begrebet tid og rum har altid fascineret videnskabsfolk. Alt, hvad vi ser omkring os, fungerer inden for en tidsmæssig og rumlig ramme. Albert Einstein sagde berømt, “Et menneske er en del af helheden, som vi kalder “Universet”, en del begrænset i tid og rum.” 

Men vores opfattelser af tid og rum har fortsat udviklet sig i takt med fremskridt inden for videnskab og vores filosofiske forståelse af det. 

En af de seneste tilføjelser til denne evolutionære strøm, noget der kan være banebrydende eller revolutionerende, kommer fra bidrag fra en forskning teamet ledet af Prof. Thorsten Schumm fra TU Wien (Wien). Forventningen er, at denne forskning kan bane vejen for revolutionerende højpræcisions‑teknologier, herunder nukleære ure. 

Atomkerne Exciteret med Laser: Det Nysgerrige Tilfælde af Thoriumovergang

Det videnskabelige samfund har længe forsøgt at opnå en meget specifik tilstand af thoriumatomkerner, som vil hjælpe med at bygge nukleære ure, der er mere forudsigende i deres tidsmåling end de bedste tilgængelige atomure i dag. 

På et højere niveau ville sådanne minutiøse tidsmålinger hjælpe med at revurdere de grundlæggende påstande i teoretisk fysik, inklusive spørgsmålet om naturens konstanter: Er disse konstanter uforanderlige, eller ændrer de sig i rum og tid? 

At måle tid så præcist ville have krævet at kende den nøjagtige energi for at excitere thorium til det punkt, hvor det gennemgår sin atomære overgang. Takket være den forskning, vi diskuterer, er den energi nu kendt på præcise niveauer. Derfor er det for første gang muligt at overføre en atomkerne til en højere energitilstand gennem en laser og derefter spore dens tilbagevenden til den oprindelige tilstand. 

Dette fænomen er også en banebrydende præstation, da det er første gang, at to forskellige områder af fysik – kvantefysik og kernefysik – kan kombineres i én. Forskningen krævede udvikling af specielle thoriumholdige krystaller. 

Siden 1970’erne har videnskabsfolk været klar over muligheden for en særlig atomkerne, der kunne manipuleres med en laser. Men at opnå succes kræver at kende overgangens energi med ekstrem præcision. Ifølge Prof. Thorsten Schumm: 

“At kende energien for denne overgang inden for én elektronvolt er af lille nytte, hvis du skal ramme den rette energi med en præcision på en-milliontedel af en elektronvolt for at opdage overgangen.” 

For at lykkes med denne mission, som på det tidspunkt virkede næsten umulig, udviklede teamet krystaller, der indeholder et stort antal thoriumatomer. 

Fabian Schaden, forskeren der var ansvarlig for designet af disse krystaller i Wien, sagde følgende for at forklare de involverede kompleksiteter: 

 “Selvom dette er teknisk ret komplekst, har det den fordel, at vi ikke kun kan studere individuelle thoriumkerner på denne måde, men også kan ramme cirka ti til tiende potens sytten thoriumkerner samtidigt med laser – omkring en million gange flere end der er stjerner i vores galakse.” 

Tilstedeværelsen af et stort antal thoriumkerner forstærkede effekten, reducerede den nødvendige målingstid og øgede chancen for faktisk at finde energiovergangen. 

Hvor vigtig var dette gennembrud? Ifølge Thorsten Schumm: 

“For os er dette en drøm, der går i opfyldelse.” Han fortsatte med at sige, “Vi er glade for, at vi nu er dem, der kan præsentere det afgørende gennembrud: den første målrettede laserexcitation af en atomkerne.” 

Klik her for listen over de fem bedste nukleære aktier at investere i.

Indvirkningen af succes på begreberne tid og rum

Den succes, der opnås i denne forskning, vil føre til mere sofistikerede præcisionsinstrumenter. Urerne vil bruge oscillationen af lyset, der aktiverer thoriumovergangen, til at blive nye varianter, som kan være mere præcise end de bedste atomure, der findes i dag. 

Fænomenet kan også hjælpe med at analysere jordens gravitationsfelter mere præcist, hvilket kan hjælpe med at lokalisere mineralressourcer og indikere forestående jordskælv med øget præcision. 

Forskerne er endnu ikke sikre på hele spektret af anvendelsesmuligheder, men de er sikre på, at potentialet kan være grænseløst. I Thorsten Schumm’s ord: 

“Vores målemetode er kun begyndelsen. Vi kan endnu ikke forudsige, hvilke resultater vi vil opnå med den. Det vil helt sikkert være meget spændende.”

Denne forskning kan i høj grad gavne virksomheder, der udvikler sofistikerede præcisionsure. Nedenfor er et par sådanne virksomheder. 

#1. Microsemi

Microsemi er globalt kendt for sine atomure. Disse er ure, hvor den elektriske oscillator reguleres af de naturlige vibrationsfrekvenser i et atomisk system, som kan være cesiumatomstråler, ammoniakatomer eller rubidium. 

Microsemis atomure er kendt for at levere mere end 90 % af inputtet til Universal Coordinated Time (UTC). Det er også verdens eneste kommercielle leverandør af cesiumstråle‑rørure, som kan findes i nationale laboratorier over hele verden.

Virksomheden positionerer sig som den førende leverandør af gascelle‑atomure, herunder Chip Scale Atomic Clock (CSAC), verdens mindste og lavest‑energiforbrugende atomur, samt Miniature Atomic Clock (MAC).

Microsemi siger, at deres cesiumatomure er særligt nyttige inden for kommunikation. Disse ure kan meget effektivt understøtte GNSS/GPS‑teknologi for frekvens-, tids- og faseapplikationer. 

Cesium har en afvigelse fra UTC på 1×10⁻¹² nøjagtighed. Det gør et cesiumur i stand til at understøtte GNSS/GPS uden forringelse af ydeevnen for frekvensapplikationer. Det muliggør holdover‑tilstand for tids‑ og faseapplikationer. 

Dog, med succesen af ‘thorium‑overgang’ forskningen, har Microsemi nu ressourcerne til at udvikle et mere præcist og finjusteret ur. 

Samlet set er Microsemi Corporation et fuldt ejet datterselskab af Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). I regnskabsåret 2023, registrerede Microchip nettoomsætning på mere end 8,4 milliarder USD. I FY 2023 returnerede virksomheden 1,64 milliarder USD til sine aktionærer sammenlignet med 0,9 milliarder USD, som den returnerede i regnskabsåret 2022.

#2. General Atomics

I oktober 2021 erklærede General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS), at de havde gennemført NASA’s Jet Propulsion Laboratory Deep Space Atomic mission. Ifølge præsidenten for GA-EMS, Scott Forney: 

“Succes­sen med DSAC‑missionen ombord på OTB baner vejen for fremtidige bestræbelser på at fremme kritiske rum‑baserede teknologier og få dem i kredsløb med pålidelige, robuste satellitdesign.”

DSAC var et miniaturiseret, superpræcist kviksølv‑ion‑atomur. Ifølge General Atomics’ vurdering demonstrerede det en væsentligt forbedret tidsstabilitet i forhold til andre atomure i drift på GPS‑satellitter. Det kunne måle tid konsekvent over lange perioder og understøtte dyb‑rum navigation og udforskning. 

Det er forståeligt, at General Atomics er en virksomhed, der vil drage betydelig fordel af ‘Thorium‑Transition’ forskningen. 

Kernen i General Atomics er et forsvars‑ og diversificeret teknologifirma. I 2023 tjente virksomheden en omsætning på 3,1 milliarder USD. 

Mens det nukleære ur handler om at gå mod endnu større præcision, har videnskabsfolk fortsat udviklet løsninger, der har givet liv til en ny generation af atomure. I et sådant eksperiment ved European XFEL røntgenlaser udnyttede forskerne grundstoffet scandium. 

Et Højt Præcist Atomur: Udnyttelse af Scandium til Ekstremt Høje Nøjagtighedsstandarder

Forskerne udnyttede Scandium for at opnå en nøjagtighed på ét sekund på 300 milliarder år, hvilket er tusind gange mere præcist end de nuværende standarder for atomure baseret på cesium.

Ligesom thorium‑overgangen, som vi diskuterede i starten, kunne forskerne ved European XFEL excitere en lovende overgang i scandiums kerne. Scandium er let tilgængeligt som høj‑renhed metalfolie eller som forbindelsen scandiumdioxid. Den nødvendige energi for præcist at excitere det til det nævnte formål krævede røntgenstråler med en energi på 12,4 kilo‑elektronvolt (keV), omkring 10.000 gange energien i synligt lys. 

Den har kun en bredde på 1,4 femto‑elektronvolt (eV) og 1,4 kvadrillioner af en elektronvolt, hvilket kun er omkring en tiendedel af en billiontedel af excitationsenergien (10⁻¹⁹). Det hjalp med at nå en nøjagtighed på 1:10.000.000.000.000, svarende til ét sekund på 300 milliarder år.

Mens forskerne forklarede de potentielle fordele ved denne forskning og dens succes, kunne de påpege mange ting. For eksempel kunne atomure med forbedret nøjagtighed hjælpe satellitter med at blive placeret mere præcist. Forskerne fremhævede også potentialet for atomuret som en vejåbner for fremtidens nukleære ure. 

Ifølge eksperimentets projektleder, Yuri Shvyd’ko, siger han: 

“Gennembruddet i resonant excitation af scandium og den præcise måling af dets energi åbner nye veje ikke kun for nukleære ure, men også for ultrahøj‑præcisions‑spektroskopi og præcisionsmåling af fundamentale fysiske effekter.”

Uddybende om potentialet sagde Olga Kocharovskaya fra Texas A&M University i USA, initiativtager og leder af projektet: 

“For eksempel kunne så høj nøjagtighed tillade, at gravitationel tidsdilatation undersøges på sub‑millimeter afstande. Dette ville muliggøre studier af relativistiske effekter på længdeskalaer, som hidtil har været utilgængelige.”

Sammenfattende har denne innovation, ligesom den vi læste om thorium‑overgangen, flere fordele. På ét niveau betød disse fordele direkte anvendelse af fænomenet til at udtænke nye løsninger. På et andet niveau var fordelene i form af nye horisonter, der blev åbnet. Inden for teoretisk fysik vil disse nyåbnede veje resultere i mere effektive løsninger. 

Det Præcisionsur, der Udnyttede Strontium

Vi har allerede undersøgt, hvordan thorium og scandium er blevet brugt til at genvurdere tid og rum i den mindste mulige grad. I 2022 udforskede forskere potentialet i strontium i denne henseende. 

Forskningen omfattede en gruppe amerikanske videnskabsfolk. De hævdede at have bygget en enhed, der var 50 gange mere præcis end sine atomur‑kolleger. 

Ifølge Jun Ye, tilknyttet National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder, ud over sine præcisionsfunktioner kunne uret introducere opdagelser inden for kvantemekanik og paradigmer, der guider dynamikken i den subatomare verden. 

Løsningen udforskede succesfuldt lysets netværk, kendt som optiske gitter. Disse gitter kan fange atomer på en ordnet måde og forhindre atomer i at falde på grund af tyngdekraft eller bevægelser, der medfører tab af nøjagtighed. Det præcise ur bestod af 100.000 strontiumatomer. Hver er lagdelt oven på den anden i en pandekage‑lignende formation for at danne en højde på cirka 1 millimeter. 

Mens de forklarede de fascinerende funktioner ved uret, sagde Ye: 

“Rum og tid er forbundet. Og med så præcis tidsmåling kan du se, hvordan rummet ændrer sig i realtid – Jorden er en levende, levende krop.”

Ligesom andre ure, vi har diskuteret indtil nu, var Ye begejstret for dette urs potentiale til at indlede en helt ny æra inden for fysik. Uret kunne registrere tidsforskelle på tværs af 200 mikrometer. Nedbragt til 20 mikrometer kunne det mere effektivt undersøge de indre dynamikker i den kvantemæssige verden. 

Genvurdering af tid og rum med thorium og mere: Afsluttende ord

Udover at åbne nye dimensioner om den tidsmæssige og rumlige natur af vores univers, tjener disse superpræcise ure mange, mange formål, herunder forbedring af vores telekommunikations- og navigationssystemer. 

Ifølge Andrew Ludlow, en fysiker fra National Institute of Standards and Technology i Boulder, Colorado: 

“Der er mange anvendelser [for ure], der kun har brug for virkelig god stabilitet, og så er der en række anvendelser, hvor stabilitet alene ikke er nok, og man også har brug for nøjagtighed.”

Disse superfølsomme enheder kan måle hver lille bølge gennem rum‑tid. De kan opdage gravitationsbølger ved frekvenser, der næsten er utilgængelige for vores konventionelle løsninger. Et højtydende rum‑tidsmåleapparat kan mærke de mindste gravitationsændringer, der sker dybt under jorden, for at indikere signalforhold, der er forløbere for et jordskælv eller vulkansk udbrud. 

Sammenfattende er mulighederne ubegrænsede, og videnskabsfolk kan opdage flere elementer som thorium, scandium og strontium i de kommende dage, som vil revolutionere den måde, vi ser rum og tid på. 

Klik her for at lære, om warp drive er fiktion eller fremtiden.