Επαναξιολόγηση του Χρόνου και του Χώρου – Πώς το Θόριο είναι έτοιμο να Παίξει ένα Ρόλο

Η έννοια του χρόνου και του χώρου έχει πάντα διασκεδάσει τους επιστήμονες. Όλα όσα βλέπουμε γύρω μας λειτουργούν μέσα σε ένα χρονικό και χωρικό πλαίσιο. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν είπε famως, “Ένα ανθρώπινο ον είναι μέρος του συνόλου, που ονομάζεται από εμάς “Σύμπαν”, ένα μέρος που περιορίζεται στον χρόνο και τον χώρο.”

Ωστόσο, οι αξιολογήσεις μας για τον χρόνο και τον χώρο έχουν συνεχίσει να εξελίσσονται με τις προόδους που έχουν επιτευχθεί στην επιστήμη και την φιλοσοφική κατανόησή της.

Μια από τις τελευταίες προσθήκες σε αυτή τη ροή εξέλιξης, κάτι που θα μπορούσε να είναι επαναστατικό, προέρχεται από τις εισροές μιας ερευνητικής ομάδας υπό την ηγεσία του Καθηγητή Thorsten Schumm από το TU Wien (Βιέννη). Η προσδοκία είναι ότι αυτή η έρευνα θα ανοίξει τον δρόμο για επαναστατικές υψηλής ακρίβειας τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων πυρηνικών ρολογιών.

Ατομικό Πυρήνας Εκστασιασμένος με Laser: Η Περίεργη Περίπτωση της Μετάβασης του Θορίου

Η επιστημονική κοινότητα έχει προσπαθήσει για πολύ καιρό να επιτύχει μια πολύ συγκεκριμένη κατάσταση των ατομικών πυρήνων του θορίου που θα βοηθούσε στην κατασκευή πυρηνικών ρολογιών που είναι πιο ακριβείς στην μέτρηση του χρόνου από τους καλύτερους ατομικούς ρολογούς σήμερα.

Σε ένα μεγαλύτερο επίπεδο, τέτοιες μικρές μετρήσεις του χρόνου θα βοηθούσαν να επαναξιολογηθούν οι βασικές προτάσεις της θεωρητικής φυσικής, συμπεριλαμβανομένου του ερωτήματος σχετικά με τις σταθερές της φύσης: Είναι αυτές οι σταθερές αμετάβλητες, ή αλλάζουν στο χώρο και τον χρόνο;

Για να μετρηθεί ο χρόνος τόσο ακριβώς, θα χρειαζόταν να γνωρίζουμε την ακριβή ενέργεια για να激excite το Θόριο στο σημείο της ατομικής μετάβασης. Χάρη στην έρευνα που συζητάμε, αυτή η ενέργεια είναι τώρα γνωστή στα ακριβή επίπεδά της. Έτσι, για πρώτη φορά, είναι τώρα δυνατό να μεταφερθεί ένας ατομικός πυρήνας σε μια υψηλότερη κατάσταση ενέργειας μέσω ενός laser και στη συνέχεια να παρακολουθηθεί η επιστροφή του πίσω στην αρχική του κατάσταση.

Αυτό το φαινόμενο είναι επίσης một πρωτοποριακή επίτευξη στο ότι είναι η πρώτη φορά που δύο διαφορετικές περιοχές της φυσικής — η κβαντική φυσική και η πυρηνική φυσική — θα μπορούσαν να συνδυαστούν σε μια.

Η έρευνα απαιτούσε την ανάπτυξη ειδικών κρυστάλλων που περιέχουν θόριο.

Από τη δεκαετία του 1970, οι επιστήμονες ήταν ενήμεροι για την πιθανότητα ενός đặcικού ατομικού πυρήνα που θα μπορούσε να χειριστεί με laser. Ωστόσο, η επίτευξη επιτυχίας απαιτούσε τη γνώση της ενέργειας της μετάβασης με εξαιρετική ακρίβεια. Σύμφωνα με τον Καθηγητή Thorsten Schumm:

“Γνωρίζοντας την ενέργεια αυτής της μετάβασης σε ένα ηλεκτρόνιο βολτ είναι χωρίς χρήση αν πρέπει να χτυπήσετε την σωστή ενέργεια με ακρίβεια ενός εκατομμυρίουτου的一个 ηλεκτρονίου βολτ για να ανιχνεύσετε τη μετάβαση.”

Για να επιτύχουν σε αυτή την αποστολή, η οποία ήχουσε σχεδόν αδύνατη εκείνη την εποχή, η ομάδα ανέπτυξε κρυστάλλους που ενσωματώνουν ένα lớn αριθμό ατόμων θορίου.

Ο Fabian Schaden, ο ερευνητής που ήταν υπεύθυνος για το σχεδιασμό αυτών των κρυστάλλων στη Βιέννη, είχε να πει για να εξηγήσει τις сложικότητες που εμπλέκονται:

“Αν και αυτό είναι τεχνικά khá σύνθετο, έχει το πλεονέκτημα ότι μπορούμε nicht μόνο να μελετήσουμε ατομικούς πυρήνες θορίου με αυτόν τον τρόπο, αλλά μπορούμε να χτυπήσουμε περίπου δέκα στο δέκατη επτά thorium πυρήνες ταυτόχρονα με το laser – περίπου ένα εκατομμύριο φορές περισσότερο από όσο υπάρχουν άστρα στο γαλαξία μας.”

Η παρουσία eines μεγάλου αριθμού ατόμων θορίου ενίσχυσε το αποτέλεσμα, μειώνοντας τον απαιτούμενο χρόνο μέτρησης και αυξάνοντας την πιθανότητα να βρεθεί η ενέργεια της μετάβασης.

Πόσο σημαντική ήταν αυτή η επαναστατική ανακάλυψη; Σύμφωνα με τον Thorsten Schumm:

“Για εμάς, αυτό είναι ένα όνειρο που γίνεται πραγματικότητα.” Συνέχισε λέγοντας, “Είμαστε χαρούμενοι που είμαστε τώρα αυτοί που μπορούν να παρουσιάσουν την κρίσιμη ανακάλυψη: Η πρώτη στοχευμένη laser εκτίναξη ενός ατομικού πυρήνα.”

Κάντε κλικ εδώ για τη λίστα των πέντε καλύτερων πυρηνικών μετοχών για επένδυση.

Η Επίδραση της Επιτυχίας στις Εννοίες του Χρόνου και του Χώρου

Η επιτυχία που επιτεύχθηκε σε αυτή την έρευνα θα οδηγήσει σε πιο εξελιγμένες precisiον όργανα. Οι ρολοι θα χρησιμοποιούν την ταλάντωση του φωτός που ενεργοποιεί τη μετάβαση του θορίου για να γίνουν νέες παραλλαγές που θα μπορούσαν να είναι πιο ακριβείς από τους καλύτερους ατομικούς ρολογούς σήμερα.

Το φαινόμενο μπορεί επίσης να βοηθήσει στην ανάλυση των γεωγραφικών πεδίων της Γης με μεγαλύτερη ακρίβεια, το οποίο θα μπορούσε να βοηθήσει στην τοποθέτηση πόρων και να δείξει την επικείμενη σεισμική δραστηριότητα με αυξημένη ακρίβεια.

Οι ερευνητές δεν είναι ακόμη σίγουροι για το σύνολο των δυνατοτήτων εφαρμογής, αλλά είναι σίγουροι ότι το πιθανό πεδίο είναι απεριόριστο. Στα λόγια του Thorsten Schumm:

“Η μέθοδος μέτρησής μας είναι μόνο η αρχή. Δεν μπορούμε ακόμη να προβλέψουμε ποια αποτελέσματα θα επιτύχουμε με αυτό. Θα είναι σίγουρα πολύ ενδιαφέρον.”

Αυτή η έρευνα θα μπορούσε να ωφελήσει σημαντικά τις επιχειρήσεις που αναπτύσσουν εξελιγμένα precisiον ρολόγια. Παρακάτω είναι μερικές από τις επιχειρήσεις.

#1. Microsemi

Η Microsemi είναι γνωστή παγκοσμίως για τις ικανότητές της σε ατομικούς ρολογούς. Αυτοί είναι ρολοι των οποίων ο ηλεκτρικός ταλαντωτής ρυθμίζεται από τις φυσικές συχνότητες δόνησης ενός ατομικού συστήματος, το οποίο θα μπορούσε να είναι Caesium atom beams, ammonia atoms, ή rubidium.

Οι ατομικοί ρολοι της Microsemi είναι γνωστοί για την προσφορά περισσότερου του 90% της εισόδου στο Universal Coordinated Time (UTC). Είναι επίσης ο μόνος εμπορικός παρόχων Caesium beam-tube ρολογιών, τα οποία μπορούν να βρεθούν σε εθνικά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο.

Η εταιρεία θέτει τον εαυτό της ως τον ηγέτη παρόχων gas-cell ατομικών ρολογιών, συμπεριλαμβανομένων του Chip Scale Atomic Clock (CSAC), του μικρότερου και χαμηλότερου-ενέργειας ατομικού ρολογίου, και του Miniature Atomic Clock (MAC).

Η Microsemi λέει ότι οι Caesium ατομικοί ρολοι της είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι στη επικοινωνία. Αυτοί οι ρολοι μπορούν πολύ αποτελεσματικά να υποστηρίξουν GNSS/GPS τεχνολογία για συχνότητα, χρόνο και φάση εφαρμογές.

Η Caesium εκτελείται με μια απόκλιση από το UTC σε 1×10-12 ακρίβεια. Αυτό κάνει τον Caesium ρολο ικανό να υποστηρίξει GNSS/GPS χωρίς υποβάθμιση της απόδοσης για συχνότητα εφαρμογές. Αυτό επιτρέπει τη λειτουργία holdover για χρόνο και φάση εφαρμογές.

Ωστόσο, με την επιτυχία της έρευνας ‘μετάβασης του θορίου’, η Microsemi έχει τώρα τις πόρους για να αναπτύξει ένα πιο ακριβές και ρυθμισμένο ρολόι.

Συνολικά, η Microsemi Corporation είναι μια πλήρως拥有的 θυγατρική της Microchip Technology Inc. (Nasdaq: MCHP). Στο φορολογικό έτος 2023, η Microchip κατέγραψε καθαρά πωλήσεις περισσότερο από US$8.4 δισεκατομμύρια. Στο φορολογικό έτος 2023, η εταιρεία επέστρεψε $1.64 δισεκατομμύρια σε μετόχους της, σε σύγκριση με $0.9 δισεκατομμύρια που επέστρεψε στο φορολογικό έτος 2022.

#2. General Atomics

Τον Οκτώβριο του 2021, η General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) ανακοίνωσε ότι είχε ολοκληρώσει την αποστολή Deep Space Atomic του NASA’s Jet Propulsion Laboratory.

Σύμφωνα με τον πρόεδρο της GA-EMS, Scott Forney:

“Η επιτυχία της αποστολής DSAC στο πλοίο OTB ανοίγει τον δρόμο για μελλοντικές προσπάθειες να προωθήσουν κρίσιμες διαστημικές τεχνολογίες και να τις τοποθετήσουν σε τροχιά με αξιόπιστες, ρομποτικές σχεδιασμούς δορυφόρων.”

Το DSAC ήταν ένα miniaturized, υπερ- ακριβές mercury-ion ατομικό ρολόι. Σύμφωνα με την αξιολόγηση της General Atomics, έδειξε σημαντικά βελτιωμένη σταθερότητα του χρόνου σε σχέση με άλλα ατομικά ρολόγια που λειτουργούν σε δορυφόρους GPS.

Η General Atomics είναι μια εταιρεία που θα ωφεληθεί σημαντικά από την έρευνα ‘μετάβασης του θορίου’.

Στην καρδιά της, η General Atomics είναι μια αμυντική και διαφοροποιημένη τεχνολογική εταιρεία. Το 2023, η εταιρεία απέκτησε έσοδα US$3.1 δισεκατομμύρια.

Ενώ ο πυρηνικός ρολος είναι για να προχωρήσουμε προς μεγαλύτερη ακρίβεια, οι επιστήμονες έχουν συνεχίσει να αναπτύσσουν λύσεις που έχουν δώσει γέννηση σε μια νέα γενιά ατομικών ρολογιών. Σε ένα τέτοιο πείραμα στο European XFEL X-ray laser, οι ερευνητές αξιοποίησαν το στοιχείο Scandium.

Ένας Υπερ-Ακρίβειας Ατομικός Ρολος: Αξιοποιώντας το Scandium για Εξαιρετικά Υψηλά Πρότυπα Ακρίβειας

Οι ερευνητές αξιοποίησαν το Scandium για να φτάσουν σε μια ακρίβεια ενός δευτερολέπτου σε 300 δισεκατομμύρια χρόνια, το οποίο είναι ένα χιλιάδες φορές πιο ακριβές από τα τρέχοντα πρότυπα ατομικών ρολογιών που βασίζονται στο caesium.

Μόλις όπως η μετάβαση του θορίου που συζητήσαμε στην αρχή, οι ερευνητές στο European XFEL μπορούσαν να激excite μια υποσχόμενη μετάβαση στον πυρήνα του Scandium. Το Scandium είναι εύκολα διαθέσιμο ως υψηλής καθαρότητας μέταλλο ή ως το σύνθετο scandium dioxide. Η απαιτούμενη ενέργεια για να激excite αυτόν τον σκοπό με ακρίβεια απαιτούσε X-ακτίνες με ενέργεια 12.4 kilo ηλεκτρονιοβόλτ (keV), περίπου 10.000 φορές την ενέργεια του ορατού φωτός.

Έχει ένα πλάτος μόνο 1.4 femto-electron volts (eV) και 1.4 quadrillionths του ηλεκτρονίου βολτ, το οποίο είναι μόνο περίπου ένα δέκατο του một τρισεκατομμυρίου του ενεργειακού excitation (10-19). Αυτό βοήθησε να φτάσει σε μια ακρίβεια 1:10.000.000.000.000, ισοδύναμη με ένα δευτερόλεπτο σε 300 δισεκατομμύρια χρόνια.

Ενώ εξηγούσε τις πιθανές ωφέλειες αυτής της έρευνας και της επιτυχίας της, οι ερευνητές θα μπορούσαν να υπογραμμίσουν πολλά πράγματα. Για παράδειγμα, ατομικοί ρολοι με βελτιωμένη ακρίβεια θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους δορυφόρους να τοποθετηθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια. Οι ερευνητές também υπογράμμισαν το πιθανό του ατομικού ρολογιού ως δρόμου για πυρηνικούς ρολούς του μέλλοντος.

Σύμφωνα με τον ηγέτη του πειράματος, Yuri Shvyd’ko του Argonne National Laboratory στις Ηνωμένες Πολιτείες:

“Η ανακάλυψη της συντονικής εκτίναξης του scandium και η ακριβής μέτρηση της ενέργειάς του ανοίγει νέες οδούς όχι μόνο για πυρηνικούς ρολούς αλλά και για υπερ-ακρίβειας φασματοσκοπία και μέτρηση θεμελιωδών φυσικών επιδράσεων.”

Εξηγώντας το πιθανό πεδίο αυτής της έρευνας, Olga Kocharovskaya του Texas A&M University στις Ηνωμένες Πολιτείες, πρωτοβουλία και ηγέτης του έργου, είχε να πει:

“Για παράδειγμα, μια τέτοια υψηλή ακρίβεια θα μπορούσε να επιτρέψει τη διερεύνηση της χρόνου-διαστολής της βαρύτητας σε υπο-χιλιοστούς αποστάσεις. Αυτό θα επέτρεπε τη μελέτη σχετικών επιδράσεων σε αποστάσεις που ήταν απρόσιτες μέχρι τώρα.”

Συνολικά, αυτή η καινοτομία, όπως και η ανακάλυψη της μετάβασης του θορίου, είχε πολλά πλεονεκτήματα. Σε ένα επίπεδο, αυτά τα πλεονεκτήματα σήμαιναν την άμεση εφαρμογή του φαινομένου για την ανάπτυξη νέων λύσεων. Σε ένα άλλο επίπεδο, τα πλεονεκτήματα ήταν στη μορφή νέων οριζόντων που άνοιξαν. Στην περιοχή της θεωρητικής φυσικής, αυτοί οι νέοι ορίζοντες θα οδηγούσαν σε πιο αποτελεσματικές λύσεις.

Ο Ρολος της Ακρίβειας που Αξιοποίησε το Strontium

Έχουμε ήδη δει πώς το Θόριο και το Scandium έχουν χρησιμοποιηθεί για να επαναξιολογήσουν τον χρόνο και τον χώρο στο ελάχιστο δυνατό βαθμό. Το 2022, οι ερευνητές εξέτασαν το πιθανό του Strontium σε αυτό το контέκστ.

Η έρευνα περιελάμβανε μια ομάδα αμερικανών επιστημόνων. Δήλωσαν ότι είχαν κατασκευάσει μια συσκευή που ήταν 50 φορές πιο ακριβής από τους ατομικούς ρολούς τους.

Σύμφωνα με τον Jun Ye, που συνδέεται με το National Institute of Standards and Technology (NIST) και το University of Colorado Boulder, εκτός από τις ιδιότητες ακρίβειας, ο ρολος θα μπορούσε να εισαγάγει ανακαλύψεις στη κβαντική μηχανική και τα παραδείγματα που οδηγούν τη δυναμική του υποατομικού κόσμου.

Η λύση ανέπτυξε με επιτυχία τα δίκτυα του φωτός, γνωστά ως οπτικά πλέγματα. Αυτά τα πλέγματα θα μπορούσαν να παγιδεύσουν άτομα με一种 τάξη και να σταματήσουν τα άτομα από τη βαρύτητα-πρωτογενή πτώση ή κινήσεις που οδηγούν σε απώλεια ακρίβειας. Ο ρολος ακρίβειας αποτελούσε από 100.000 άτομα strontium. Κάθε ένα από αυτά ήταν στρωμένο πάνω στο άλλο σε μια pancake-όπως μορφή για να σχηματίσει ένα ύψος περίπου 1 χιλιοστό.

Εξηγώντας τα fascinující χαρακτηριστικά του ρολογιού, ο Ye είπε:

“Ο χώρος και ο χρόνος είναι συνδεδεμένοι. Και με τη μέτρηση του χρόνου τόσο ακριβής, μπορείτε να δείτε πώς ο χώρος αλλάζει σε πραγματικό χρόνο—η Γη είναι ένα ζωντανό, ζωντανο σώμα.”

Όπως και οι άλλοι ρολοι που έχουμε συζητήσει μέχρι τώρα, ο Ye ήταν ενθουσιασμένος με το πιθανό του ρολογιού να εισαγάγει μια完全 nuova εποχή της φυσικής. Ο ρολος θα μπορούσε να ανιχνεύσει διαφορές χρόνου σε 200 μικρόμετρα. Φέρνοντας το σε 20 μικρόμετρα, θα μπορούσε να εξετάσει πιο αποτελεσματικά την εσωτερική δυναμική του κβαντικού κόσμου.

Επαναξιολόγηση του Χρόνου και του Χώρου με Θόριο και Περισσότερα: Συμπερασματικά Λόγια

Εκτός από το άνοιγμα νέων διαστάσεων για την φύση του χρόνου και του χώρου, αυτά τα υπερ-ακρίβειας ρολόγια εξυπηρετούν πολλά, πολλά σκοπούς, συμπεριλαμβανομένης της βελτίωσης των τηλεπικοινωνιακών και ναυτιλιακών συστημάτων μας.

Σύμφωνα με τον Andrew Ludlow, φυσικό από το National Institute of Standards and Technology στο Boulder, Colorado:

“Υπάρχουν πολλές εφαρμογές [για ρολόγια] που απαιτούν μόνο πραγματικά καλή σταθερότητα, και στη συνέχεια υπάρχει μια σειρά εφαρμογών όπου μόνο η σταθερότητα δεν είναι αρκετή, και χρειάζεστε επίσης ακρίβεια.”

Αυτά τα υπερ-ευαίσθητα συσκευές μπορούν να μετρήσουν κάθε μικρή ρίψη μέσα από τον χώρο-χρόνο. Μπορούν να ανιχνεύσουν κύματα βαρύτητας σε συχνότητες που είναι σχεδόν απρόσιτες στις συμβατικές μας λύσεις. Một υψηλής απόδοσης συσκευή μέτρησης χώρου-χρόνου μπορεί να ανιχνεύσει τις μικρότερες αλλαγές της βαρύτητας που συμβαίνουν κάτω από την επιφάνεια για να δείξει σημάδια που είναι προκαταρκτικά για einen σεισμό ή ηφαιστειακή έκρηξη.

Συνολικά, οι πιθανότητες είναι απεριόριστες, και οι επιστήμονες μπορεί να ανακαλύψουν περισσότερα στοιχεία όπως το Θόριο, το Scandium και το Strontium στο μέλλον που θα επανακαθορίσουν τον τρόπο με τον οποίο βλέπουμε τον χώρο και τον χρόνο.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε αν ο warp drive είναι μυθοπλασία ή το μέλλον.