Αναθεώρηση του Χρόνου και του Χώρου – Πώς το Θόριο Ετοιμάζεται να Παίξει Ρόλο

Η έννοια του χρόνου και του χώρου πάντα εντυπωσίαζε τους επιστήμονες. Ό,τι βλέπουμε γύρω μας λειτουργεί μέσα σε ένα χρονικό και χωρικό πλαίσιο. Ο Albert Einstein φημισμένα είπε, «Ένα ανθρώπινο όν είναι μέρος του συνόλου, που ονομάζουμε «Σύμπαν», ένα μέρος περιορισμένο στο χρόνο και στο χώρο». 

Ωστόσο, οι εκτιμήσεις μας για το χρόνο και το χώρο συνεχίζουν να εξελίσσονται με τις προόδους που επιτυγχάνονται στην επιστήμη και την φιλοσοφική μας κατανόηση. 

Μία από τις πιο πρόσφατες προσθήκες σε αυτή τη ροή εξέλιξης, κάτι που θα μπορούσε να αλλάξει το παιχνίδι ή να είναι επαναστατικό, προέρχεται από τις συμβολές μιας ερευνητικής ομάδας που ηγείται του καθηγητή Thorsten Schumm από το TU Wien (Βιέννη). Η προσδοκία είναι ότι αυτή η έρευνα θα ανοίξει το δρόμο για επαναστατικές τεχνολογίες υψηλής ακρίβειας, συμπεριλαμβανομένων των πυρηνικών ρολογιών. 

Ατομικός Πυρήνας Εξιτεθειμένος με Λέιζερ: Η Παράξενη Περίπτωση της Μετάβασης του Θόριου

Η επιστημονική κοινότητα προσπαθεί εδώ και καιρό να επιτύχει μια πολύ συγκεκριμένη κατάσταση των ατομικών πυρήνων του θόριου που θα βοηθήσει στην κατασκευή πυρηνικών ρολογιών που είναι πιο προγνωστικά στην μέτρηση του χρόνου από τα καλύτερα διαθέσιμα ατομικά ρολόγια σήμερα. 

Σε μεγαλύτερο επίπεδο, τέτοιες λεπτομερείς μετρήσεις του χρόνου θα βοηθήσουν στην επανεκτίμηση των βασικών προτάσεων της θεωρητικής φυσικής, συμπεριλαμβανομένου του ερωτήματος σχετικά με τις σταθερές της φύσης: Είναι αυτές οι σταθερές αμετάβλητες, ή αλλάζουν στο χώρο και στο χρόνο; 

Για να μετρηθεί ο χρόνος με τέτοια ακρίβεια, απαιτούνταν η γνώση της ακριβούς ενέργειας για την εξαγωγή του Θόριου στο σημείο της ατομικής του μετάβασης. Χάρη στην έρευνα που συζητάμε, αυτή η ενέργεια είναι τώρα γνωστή με ακριβή επίπεδα. Συνεπώς, για πρώτη φορά, είναι δυνατόν να μεταφερθεί ένας ατομικός πυρήνας σε υψηλότερη κατάσταση ενέργειας μέσω λέιζερ και στη συνέχεια να παρακολουθηθεί η επιστροφή του στην αρχική του κατάσταση. 

Αυτό το φαινόμενο αποτελεί επίσης μια πρωτοποριακή επίτευξη, καθώς είναι η πρώτη φορά που δύο διαφορετικές περιοχές της φυσικής — η κβαντική φυσική και η πυρηνική φυσική — μπορούν να συνδυαστούν σε μία. Η έρευνα απαιτούσε την ανάπτυξη ειδικών κρυστάλλων που περιέχουν θόριο. 

Από τη δεκαετία του 1970, οι επιστήμονες γνωρίζουν τη δυνατότητα ύπαρξης ενός ειδικού ατομικού πυρήνα που θα μπορούσε να ελεγχθεί με λέιζερ. Ωστόσο, η επιτυχία απαιτεί την γνώση της ενέργειας της μετάβασης με εξαιρετική ακρίβεια. Σύμφωνα με τον καθηγητή Thorsten Schumm:

«Η γνώση της ενέργειας αυτής της μετάβασης εντός ενός ηλεκτρονίου βολτ είναι λίγη χρησιμότητα αν πρέπει να χτυπήσετε τη σωστή ενέργεια με ακρίβεια ενός εκατομμυριοστο του ηλεκτρονίου βολτ για να ανιχνεύσετε τη μετάβαση.» 

Για να πετύχει αυτή η αποστολή, που φαινόταν σχεδόν αδύνατη εκείνη τη στιγμή, η ομάδα ανέπτυξε κρυστάλλους που ενσωματώνουν μεγάλο αριθμό ατόμων θόριου. 

Ο Fabian Schaden, ο ερευνητής που ήταν υπεύθυνος για το σχεδιασμό αυτών των κρυστάλλων στη Βιέννη, είπε τα εξής για να εξηγήσει τις πολυπλοκότητες: 

«Αν και αυτό είναι τεχνικά αρκετά πολύπλοκο, έχει το πλεονέκτημα ότι όχι μόνο μπορούμε να μελετήσουμε μεμονωμένους πυρήνες θόριου με αυτόν τον τρόπο, αλλά μπορούμε να χτυπήσουμε περίπου δέκα στη δύναμη του δεκαεξάδους θόριου πυρήνα ταυτόχρονα με το λέιζερ — περίπου ένα εκατομμύριο φορές περισσότερο από τον αριθμό των αστεριών στο γαλαξία μας.» 

Η παρουσία ενός μεγάλου αριθμού πυρήνων θόριου ενίσχυσε το φαινόμενο, μειώνοντας τον απαιτούμενο χρόνο μέτρησης και αυξάνοντας την πιθανότητα να βρεθεί η ενεργειακή μετάβαση. 

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

«Για εμάς, αυτό είναι ένα όνειρο που γίνεται πραγματικότητα.» Πρόσθεσε, «Είμαστε ενθουσιασμένοι που είμαστε τώρα εμείς που μπορούμε να παρουσιάσουμε τη σημαντική πρόοδο: Η πρώτη στοχευμένη εξαγωγή ατομικού πυρήνα με λέιζερ.» 

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

Η Επίδραση της Επιτυχίας στις Έννοιες του Χρόνου και του Χώρου

Η επιτυχία που επιτεύχθηκε σε αυτή την έρευνα θα οδηγήσει σε πιο εξελιγμένα όργανα ακρίβειας. Τα ρολόγια θα χρησιμοποιούν την ταλάντωση του φωτός που ενεργοποιεί τη μετάβαση του θόριου για να μετατραπούν σε νέες παραλλαγές που θα μπορούσαν να είναι πιο ακριβείς από τα καλύτερα ατομικά ρολόγια που είναι διαθέσιμα σήμερα. 

Το φαινόμενο μπορεί επίσης να βοηθήσει στην πιο ακριβή ανάλυση των βαρυτικών πεδίων της Γης, κάτι που θα μπορούσε να βοηθήσει στον εντοπισμό ορυκτών πόρων και να υποδείξει την επικείμενη εμφάνιση σεισμών με αυξημένη ακρίβεια. 

Οι ερευνητές δεν είναι ακόμη σίγουροι για το πλήρες φάσμα των δυνατοτήτων εφαρμογής, αλλά είναι βέβαιοι ότι το δυναμικό μπορεί να είναι απεριόριστο. Με τα λόγια του Thorsten Schumm:

«Η μέθοδος μέτρησής μας είναι μόνο η αρχή. Δεν μπορούμε ακόμη να προβλέψουμε ποια αποτελέσματα θα πετύχουμε με αυτήν. Θα είναι σίγουρα πολύ συναρπαστικό.»

Αυτή η έρευνα θα μπορούσε να ωφελήσει σημαντικά τις επιχειρήσεις που αναπτύσσουν εξελιγμένα ρολόγια ακρίβειας. Παρακάτω παρουσιάζονται μερικές τέτοιες εταιρείες. 

#1. Microsemi

Η Microsemi είναι γνωστή παγκοσμίως για τις δυνατότητες των ατομικών ρολογιών της. Αυτά είναι ρολόγια των οποίων ο ηλεκτρικός ταλαντωτής ρυθμίζεται από τις φυσικές συχνότητες δόνησης ενός ατομικού συστήματος, που μπορεί να είναι δέσμες ατόμων κασσίου, αμμωνίας ή ρουβιδίου. 

Τα ατομικά ρολόγια της Microsemi είναι γνωστά για την προσφορά τους πάνω από 90% του εισροής στο Παγκόσμιο Συντονισμένο Χρόνο (UTC). Είναι επίσης ο μοναδικός εμπορικός προμηθευτής παγκοσμίως των ρολογιών δέσμης κασσίου, τα οποία βρίσκονται σε εθνικά εργαστήρια παγκοσμίως.

Η εταιρεία τοποθετείται ως ο κορυφαίος προμηθευτής ατομικών ρολογιών με κυτταροπλαστικό αέριο, συμπεριλαμβανομένου του Chip Scale Atomic Clock (CSAC), του μικρότερου και χαμηλότερης κατανάλωσης ατομικού ρολογιού στον κόσμο, και του Miniature Atomic Clock (MAC).

Η Microsemi δηλώνει ότι τα ατομικά ρολόγια κασσίου της είναι ιδιαίτερα χρήσιμα στην επικοινωνία. Αυτά τα ρολόγια μπορούν πολύ αποδοτικά να υποστηρίξουν την τεχνολογία GNSS/GPS για εφαρμογές συχνότητας, χρόνου και φάσης. 

Το κασσίο λειτουργεί με απόκλιση από το UTC με ακρίβεια 1×10-12. Αυτό καθιστά ένα ρολόι κασσίου ικανό να υποστηρίζει το GNSS/GPS χωρίς υποβάθμιση στην απόδοση για εφαρμογές συχνότητας. Επιτρέπει τη λειτουργία σε λειτουργία holdover για εφαρμογές χρόνου και φάσης. 

Ωστόσο, με την επιτυχία της έρευνας «μετάβαση θόριου», η Microsemi διαθέτει πλέον τους πόρους για την ανάπτυξη ενός πιο ακριβούς και λεπτομερέστερου ρολογιού. 

Συνολικά, η Microsemi Corporation είναι θυγατρική εταιρεία της Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). Στο οικονομικό έτος 2023, Microchip κατέγραψε καθαρά έσοδα άνω των 8,4 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ. Στο FY 2023, η εταιρεία επέστρεψε 1,64 δισεκατομμύρια δολάρια στους μετόχους της σε σύγκριση με 0,9 δισεκατομμύρια δολάρια που επέστρεψε στο οικονομικό έτος 2022.

#2. General Atomics

Τον Οκτώβριο του 2021, η General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) ανακοίνωσε ότι ολοκλήρωσε την αποστολή Deep Space Atomic της NASA. Σύμφωνα με τον πρόεδρο της GA-EMS, Scott Forney:

«Η επιτυχία της αποστολής DSAC πάνω στο OTB ανοίγει το δρόμο για μελλοντικές προσπάθειες προώθησης κρίσιμων διαστημικών τεχνολογιών και την τοποθέτησή τους σε τροχιά με αξιόπιστο, ανθεκτικό σχεδιασμό δορυφόρων.»

Το DSAC ήταν ένα μικροποιημένο, εξαιρετικά ακριβές ατομικό ρολόι ιόντων υδραργύρου. Σύμφωνα με την αξιολόγηση της General Atomics, έδειξε σημαντικά βελτιωμένη σταθερότητα χρόνου σε σύγκριση με άλλα ατομικά ρολόγια που λειτουργούν σε δορυφόρους GPS. Μπορούσε να μετράει τον χρόνο σταθερά για μεγάλες περιόδους και να υποστηρίζει την πλοήγηση και εξερεύνηση του βαθύ διαστήματος.

Φυσικά, η General Atomics είναι μια εταιρεία που θα ωφεληθεί σημαντικά από την έρευνα «Μετάβαση Θόριου». 

Στην ουσία, η General Atomics είναι μια εταιρεία άμυνας και διαφοροποιημένων τεχνολογιών. Το 2023, η εταιρεία κέρδισε έσοδα ύψους US$3.1 billion. 

Ενώ το πυρηνικό ρολόι αφορά την πορεία προς μεγαλύτερη ακρίβεια, οι επιστήμονες συνεχίζουν να αναπτύσσουν λύσεις που έχουν γεννήσει μια νέα γενιά ατομικών ρολογιών. Σε ένα τέτοιο πείραμα στο ευρωπαϊκό λέιζερ X-ray XFEL, οι ερευνητές αξιοποίησαν το στοιχείο Σκανδίου. 

Ένα Υψηλής Ακρίβειας Ατομικό Ρολόι: Αξιοποίηση του Σκανδίου για Εξαιρετικά Υψηλά Πρότυπα Ακρίβειας

Οι ερευνητές αξιοποίησαν το Σκάνδιο για να φτάσουν σε ακρίβεια ενός δευτερολέπτου σε 300 δισεκατομμύρια χρόνια, που είναι χίλιες φορές πιο ακριβής από τα τρέχοντα πρότυπα ατομικών ρολογιών που βασίζονται σε κασσίιο.

Παρόμοια με τη μετάβαση του Θόριου που συζητήσαμε στην αρχή, οι ερευνητές στο European XFEL μπορούσαν να εξαγάγουν μια υποσχόμενη μετάβαση στον πυρήνα του Σκανδίου. Το Σκάνδιο είναι διαθέσιμο ως υψηλής καθαρότητας μεταλλική φύλλα ή ως ένωση οξείδιο του σκανδίου. Η απαιτούμενη ενέργεια για την ακριβή εξαγωγή του για τον σκοπό αυτό απαιτεί ακτίνες X με ενέργεια 12,4 κιλοηλεκτρονιοβόλτ (keV), περίπου 10.000 φορές την ενέργεια του ορατού φωτός.

Έχει πλάτος μόνο 1,4 φεμτοηλεκτρονιοβόλτ (eV) και 1,4 τετράκις του ενός ηλεκτρονίου βολτ, που είναι περίπου ένα δέκατο του τρισεκατομμυρίου της ενέργειας εξαγωγής (10⁻¹⁹). Αυτό βοήθησε στην επίτευξη ακρίβειας 1:10.000.000.000.000, ισοδύναμη με ένα δευτερόλεπτο σε 300 δισεκατομμύρια χρόνια.

Καθώς εξηγούσαν τα πιθανά οφέλη αυτής της έρευνας και της επιτυχίας της, οι ερευνητές μπορούσαν να επισημάνουν πολλά πράγματα. Για παράδειγμα, τα ατομικά ρολόγια με βελτιωμένη ακρίβεια θα μπορούσαν να βοηθήσουν τα δορυφόρους να τοποθετούνται πιο ακριβώς. Οι ερευνητές επίσης τόνισαν το δυναμικό του ατομικού ρολογιού ως προπορευτικό βήμα για τα πυρηνικά ρολόγια του μέλλοντος.

Σύμφωνα με τον επικεφαλής του πειράματος, Yuri Shvyd’ko του Argonne National Laboratory στις ΗΠΑ:

«Η πρόοδος στην εναέρια εξαγωγή του σκανδίου και η ακριβής μέτρηση της ενέργειάς του ανοίγουν νέες οδούς όχι μόνο για πυρηνικά ρολόγια αλλά και για υπερ-υψηλής ακρίβειας φασματοσκοπία και ακριβή μέτρηση θεμελιωδών φυσικών φαινομένων.»

Επεξηγώντας το δυναμικό που είχε αυτή η έρευνα, η Olga Kocharovskaya του Texas A&M University στις ΗΠΑ, αρχιτέκτονας και ηγέτης του έργου, είπε:

«Για παράδειγμα, μια τέτοια υψηλή ακρίβεια θα μπορούσε να επιτρέψει την διερεύνηση της βαρυτικής διαστολής του χρόνου σε αποστάσεις υπο-χιλιοστών του χιλιοστού. Αυτό θα επέτρεπε τη μελέτη των σχετικιστικών επιδράσεων σε κλίμακες μήκους που μέχρι τώρα ήταν απρόσιτες.»

Συνοπτικά, αυτή η καινοτομία, όπως αυτή που διαβάσαμε για τη μετάβαση του θόριου, είχε πολλά οφέλη. Σε ένα επίπεδο, αυτά τα οφέλη σήμαιναν την άμεση εφαρμογή του φαινομένου για την ανάπτυξη νέων λύσεων. Σε άλλο επίπεδο, τα οφέλη ήταν η δημιουργία νέων οριζόντων. Στον τομέα της θεωρητικής φυσικής, αυτά τα νέα ανοιχτά μονοπάτια θα οδηγήσουν σε πιο αποδοτικές λύσεις.

Το Ακριβές Ρολόι που Αξιοποίησε το Στρόντιο

Έχουμε ήδη εξετάσει πώς το Θόριο και το Σκάνδιο έχουν χρησιμοποιηθεί για να επανεξετάσουν το χρόνο και το χώρο στο ελάχιστο δυνατό επίπεδο. Το 2022, οι ερευνητές διερεύνησαν το δυναμικό του Στροντίου σε αυτό το πλαίσιο. 

Η έρευνα περιελάμβανε μια ομάδα αμερικανών επιστημόνων. Ισχυρίστηκαν ότι έχουν κατασκευάσει μια συσκευή που είναι 50 φορές πιο ακριβής από τα ατομικά ρολόγια των συναδέλφων της.

Σύμφωνα με τον Jun Ye, που είναι συνδεδεμένος με το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) και το Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder, εκτός από τις ακριβείς του δυνατότητες, το ρολόι θα μπορούσε να εισάγει ανακαλύψεις στην κβαντική μηχανική και παραδείγματα που καθοδηγούν τη δυναμική του υποατομικού κόσμου.

Η λύση εξερεύνησε επιτυχώς τα πλέγματα φωτός, γνωστά ως οπτικές πλέγματα. Αυτά τα πλέγματα μπορούν να παγιδεύουν άτομα με τακτικό τρόπο και να εμποδίζουν τα άτομα από την πτώση λόγω βαρύτητας ή κινήσεις που οδηγούν σε απώλεια ακρίβειας. Το ακριβές ρολόι περιείχε 100.000 άτομα στρόντιου. Κάθε ένα τοποθετείται πάνω στο άλλο σε σχήμα τηγανιού, σχηματίζοντας ύψος περίπου 1 χιλιοστόμετρο.

Καθώς εξηγούσαν τα συναρπαστικά χαρακτηριστικά του ρολογιού, ο Ye είπε: 

«Ο χώρος και ο χρόνος είναι συνδεδεμένοι. Και με μια μέτρηση χρόνου τόσο ακριβή, μπορείτε να δείτε πώς ο χώρος αλλάζει σε πραγματικό χρόνο — η Γη είναι ένα ζωντανό, ζωντανό σώμα.»

Όπως και άλλα ρολόγια που έχουμε συζητήσει μέχρι τώρα, ο Ye ενθουσιάστηκε από το δυναμικό αυτού του ρολογιού να ανοίξει μια εντελώς νέα εποχή της φυσικής. Το ρολόι θα μπορούσε να ανιχνεύσει διαφορές χρόνου σε απόσταση 200 μικρόμετρα. Κατεβάζοντας το σε 20 μικρόμετρα, θα μπορούσε να εξετάσει πιο αποδοτικά τη εσωτερική δυναμική του κβαντικού κόσμου. 

Αναθεώρηση του Χρόνου και του Χώρου με Θόριο και Άλλα: Συμπερασματικές Λέξεις

Πέρα από το άνοιγμα νέων διαστάσεων σχετικά με τη χρονική και χωρική φύση του σύμπαντος, αυτά τα υπερ-ακριβή ρολόγια εξυπηρετούν πολλούς, πολλούς σκοπούς, συμπεριλαμβανομένης της βελτίωσης των τηλεπικοινωνιακών και ναυτιλιακών συστημάτων μας. 

Σύμφωνα με τον Andrew Ludlow, φυσικό του Εθνικού Ινστιτούτου Προτύπων και Τεχνολογίας στο Boulder, Κολοράντο:

«Υπάρχουν πολλές εφαρμογές [για τα ρολόγια] που χρειάζονται μόνο πολύ καλή σταθερότητα, και μετά υπάρχει ένα φάσμα εφαρμογών όπου η σταθερότητα δεν είναι αρκετή, και χρειάζεται επίσης ακρίβεια.»

Αυτές οι υπερευαίσθητες συσκευές μπορούν να μετρήσουν κάθε μικρή κυματισμό μέσω του χωροχρόνου. Μπορούν να ανιχνεύσουν βαρυτικά κύματα σε συχνότητες που είναι σχεδόν απρόσιτες στις συμβατικές μας λύσεις. Μια υψηλής απόδοσης συσκευή μέτρησης χωροχρόνου μπορεί να ανιχνεύσει τις μικρότερες βαρυτικές αλλαγές που συμβαίνουν βαθιά κάτω από τη γη για να υποδείξει συνθήκες σήματος που είναι προδρόμια ενός σεισμού ή ηφαιστειακής έκρηξης. 

Συνοπτικά, οι δυνατότητες είναι απεριόριστες, και οι επιστήμονες μπορεί να ανακαλύψουν περισσότερα στοιχεία όπως το Θόριο, το Σκάνδιο και το Στρόντιο τις επόμενες ημέρες που θα επαναπροσδιορίσουν τον τρόπο που βλέπουμε το χώρο και το χρόνο. 

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε αν η τεχνολογία warp drive είναι φανταστική ή το μέλλον.