Ajan ja avaruuden uudelleenarviointi – Miten toriumilla on tulossa rooli

Ajan ja avaruuden käsite on aina huvittanut tiedemiehiä. Kaikki mitä näemme ympärillämme toimii aikaisessa ja avaruudellisessa kehyksessä. Albert Einstein sanoi kuuluisasti, “Ihminen on osa kokonaisuutta, jota kutsumme \”universumiksi\”, osa, joka on rajoitettu aikaan ja avaruuteen.” 

Kuitenkin aikaan ja avaruuteen liittyvät arviointimme ovat kehittyneet tieteellisten edistysaskelten ja filosofisen ymmärryksemme myötä. 

Yksi viimeisimmistä lisäyksistä tähän evoluutiovirtaan, jokin mahdollisesti pelin muuttava tai mullistava, tulee tutkimuksen tiimiä, jota johtaa professori Thorsten Schumm TU Wienistä (Vienna). Odotetaan, että tämä tutkimus voi raivata tietä mullistaville tarkkuusteknologioille, mukaan lukien ydinkellot. 

Atomiydin innostettu laserilla: Toriumin siirtymän kiehtova tapaus

Tieteellinen yhteisö on pitkään pyrkinyt saavuttamaan hyvin erityisen tilan toriumin atomiytimiin, mikä auttaisi rakentamaan ydinkelloja, jotka mittaavat aikaa tarkemmin kuin parhaat nykyiset atomikellot. 

Laajemmassa mittakaavassa tällaiset tarkat aika‑mittaukset auttaisivat arvioimaan uudelleen teoreettisen fysiikan keskeisiä väitteitä, mukaan lukien kysymys luonnon vakioista: Ovatko nämä vakiot pyhästi muuttumattomia vai muuttuvatko ne avaruudessa ja ajassa? 

Ajan mittaaminen näin tarkasti olisi vaatinut tarkkaa tietoa siitä energiasta, jolla torium voidaan innostaa sen atomisiirtymän pisteeseen. Kiitos käsittelemämme tutkimuksen, tämä energia on nyt tiedossa tarkasti. Näin ollen ensimmäistä kertaa on mahdollista siirtää atomiydin korkeampaan energiatilaan laserilla ja sitten seurata sen paluuta alkuperäiseen tilaansa. 

Tämä ilmiö on myös uraauurtava saavutus, sillä se on ensimmäinen kerta, kun kaksi erillistä fysiikan alaa — kvanttifysiikka ja ydinfysiikka — on yhdistetty yhdeksi. Tutkimus vaati erityisten toriumia sisältävien kiteiden kehittämistä. 

1970‑luvulta lähtien tiedemiehet ovat tienneet erityisen atomiytimen mahdollisuudesta, jota voitaisiin manipuloida laserilla. Kuitenkin menestyksen saavuttaminen vaatii siirtymän energian tuntemista äärimmäisen tarkasti. Prof. Thorsten Schummin mukaan:

“Tämän siirtymän energian tunteminen yhden elektronivoltin tarkkuudella on vähän hyödyllistä, jos oikeaan energiaan täytyy osua miljoonasosalla elektronivoltista tarkkuudella siirtymän havaitsemiseksi.” 

Saavuttaakseen tämän tehtävän, joka kuulosti lähes mahdottomalta, tiimi kehitti kiteitä, jotka sisälsivät suuren määrän toriumatomia. 

Fabian Schaden, Wienissä näiden kiteiden suunnittelusta vastaava tutkija, totesi monimutkaisuuden selittämiseksi:

 “Vaikka tämä on teknisesti melko monimutkaista, sen etuna on, että voimme tutkia yksittäisiä toriumytimiä tällä tavalla ja samalla osua noin 10^17 toriumytimiin laserilla – noin miljoona kertaa enemmän kuin galaksissamme on tähtiä.” 

Suuren toriumytimien määrän läsnäolo vahvisti vaikutusta, lyhensi tarvittavaa mittausaikaa ja lisäsi mahdollisuutta löytää energiasiirtymä. 

Kuinka tärkeä tämä läpimurto oli? Thorsten Schummin mukaan:

“Meille tämä on unelman toteutuminen.” Hän jatkoi: “Olemme iloisia, että nyt me voimme esitellä keskeisen läpimurron: ensimmäinen kohdennettu laserin innostus atomiytimen.

Klikkaa tästä saadaksesi listan viidestä parhaasta ydinosakkeesta sijoitettavaksi.

Menestyksen vaikutus ajan ja avaruuden käsitteisiin

Tässä tutkimuksessa saavutettu menestys johtaisi kehittyneempiin tarkkuuslaitteisiin. Kelloissa hyödynnetään valon värähtelyä, joka aktivoi toriumin siirtymän, ja ne muuttuvat uusiksi versioiksi, jotka voivat olla tarkempia kuin parhaat nykyiset atomikellot.

Ilmiö voi myös auttaa analysoimaan maapallon gravitaatiokenttiä tarkemmin, mikä voisi auttaa paikantamaan mineraalivarantoja ja ennustamaan maanjäristysten lähestymistä tarkemmin. 

Tutkijat eivät vielä ole varmoja sovellusmahdollisuuksien koko spektristä, mutta he ovat varmoja, että potentiaali voi olla rajaton. Thorsten Schummin sanojen mukaan:

“Mittausmenetelmämme on vasta alkua. Emme vielä pysty ennustamaan, mitä tuloksia siitä saamme. Se tulee varmasti olemaan erittäin jännittävää.”

Tämä tutkimus voisi hyödyttää suuresti yrityksiä, jotka kehittävät kehittyneitä tarkkuuskelloja. Alla on muutama tällainen yritys. 

#1. Microsemi

Microsemi on maailmanlaajuisesti tunnettu atomikellon kyvyistään. Nämä ovat kelloja, joiden sähköinen oskillaattori säädetään atomijärjestelmän luonnollisten värähtelytaajuuksien mukaan, kuten cesiumatomisäteet, ammoniakkiaatomit tai rubidium.

Microsemin atomikellot tunnetaan siitä, että ne tarjoavat yli 90 % syötteestä koordinoituun maailmanaikaan (UTC). Se on myös maailman ainoa kaupallinen cesium‑sädeputkikellojen tarjoaja, joita löytyy kansallisista laboratorioista ympäri maailmaa.

Yritys asemoituu kaasusolukellojen johtavaksi toimittajaksi, mukaan lukien Chip Scale Atomic Clock (CSAC), maailman pienin ja vähiten virtaa kuluttava atomikello, sekä Miniature Atomic Clock (MAC).

Microsemi kertoo, että sen cesium‑atomikellot ovat erityisen hyödyllisiä viestinnässä. Nämä kellot voivat erittäin tehokkaasti tukea GNSS/GPS‑teknologiaa taajuus-, aika- ja vaihe‑sovelluksissa. 

Cesium toimii UTC:stä poikkeamalla tarkkuudella 1 × 10⁻¹². Tämä tekee cesium‑kellosta kykenevän tukemaan GNSS/GPS:ää ilman suorituskyvyn heikkenemistä taajuussovelluksissa. Se mahdollistaa holdover‑tilan aikojen ja vaiheiden sovelluksissa.

Kuitenkin ‘toriumisiirtymä’-tutkimuksen menestyksen myötä Microsemilla on nyt resurssit kehittää tarkempaa ja hienosäädetympää kelloa.

Kaiken kaikkiaan Microsemi Corporation on Microchip Technology (MCHP ) Inc.:n (Nasdaq: MCHP) kokonaan omistama tytäryhtiö. Tilikaudella 2023, Microchip rekisteröi nettomyynnin yli 8,4 miljardia Yhdysvaltain dollaria. FY 2023 yritys palautti 1,64 miljardia dollaria osakkeenomistajilleen verrattuna 0,9 miljardiin, jonka se palautti tilikaudella 2022.

#2. General Atomics

Lokakuussa 2021 General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) ilmoitti, että se oli suorittanut NASA:n Jet Propulsion Laboratoryin Deep Space Atomic -mission. GA-EMS:n presidentin, Scott Forneyn, mukaan:

“DSAC-missionin menestys OTB-aluksella raivaa tietä tuleville pyrkimyksille edistää kriittisiä avaruusperusteisia teknologioita ja viedä ne kiertoradalle luotettavien, kestävien satelliittisuunnitelmien avulla.”

DSAC oli miniaturisoitu, poikkeuksellisen tarkka elohopeaioni‑atomikello. General Atomicsin arvion mukaan se osoitti merkittävästi parantunutta ajoitusvakautta verrattuna muihin GPS‑satelliiteissa toimiviin atomikelloihin. Se pystyi mittaamaan aikaa johdonmukaisesti pitkien jaksojen ajan ja tukemaan syvän avaruuden navigointia ja tutkimusta. 

On ymmärrettävää, että General Atomics on yritys, jolle ‘Toriumisiirtymä’-tutkimus tarjoaisi merkittävää hyötyä. 

Ydinliiketoiminnaltaan General Atomics on puolustus- ja monialateknologiayritys. Vuonna 2023 yrityksen liikevaihto oli 3,1 miljardia Yhdysvaltain dollaria. 

Vaikka ydinkello pyrkii kohti entistä tarkempaa mittausta, tiedemiehet ovat kehittäneet ratkaisuja, jotka ovat synnyttäneet uuden sukupolven atomikelloja. Yhdessä tällaisessa kokeessa Euroopan XFEL‑röntgelaserissa tutkijat hyödynsivät skandiumia. 

Erittäin tarkka atomikello: Skandiumin hyödyntäminen poikkeuksellisen korkean tarkkuusstandardin saavuttamiseksi

Tutkijat hyödyntivät skandiumia saavuttaakseen tarkkuuden, jossa sekunti kuluu 300 miljardiin vuoteen, mikä on tuhat kertaa tarkempi kuin nykyiset cesium‑pohjaiset atomikellot.

Samankaltaisesti kuin alussa käsitelty toriumin siirtymä, Euroopan XFEL:n tutkijat pystyivät innostamaan lupaavaa siirtymää skandiumin ytimessä. Skandium on helposti saatavilla korkealaatuisena metallilevynä tai skandiumdioxidina. Tarvittava energia sen tarkkaan innostamiseen vaati 12,4 keV röntgensäteitä, noin 10 000 kertaa näkyvän valon energiaa.

Sen leveys on vain 1,4 femtoelektronivolttia (eV) ja 1,4 kvadriljontosta elektronivoltista, mikä on noin kymmenesosa biljoonasosa innostusenergiasta (10⁻¹⁹). Tämä auttoi saavuttamaan tarkkuuden 1:10 000 000 000 000, mikä vastaa yhtä sekuntia 300 miljardin vuoden aikana.

Selittäessään tämän tutkimuksen mahdollisia hyötyjä, tutkijat nostivat esiin useita asioita. Esimerkiksi tarkemmat atomikellot voisivat auttaa satelliitteja sijoittumaan tarkemmin. Tutkijat korostivat myös atomikellon potentiaalia tulevaisuuden ydinkellojen tien avaajana.

Kokeen projektinjohtajan, Yuri Shvyd’ko, mukaan:

“Läpimurto skandiumin resonanssinen innostus ja sen energian tarkka mittaus avaa uusia mahdollisuuksia ei vain ydinkelloille, vaan myös äärimmäisen tarkalle spektroskopialle ja perustavanlaatuisten fysikaalisten ilmiöiden tarkalle mittaukselle.”

Olga Kocharovskaya, Texas A&M Universityn projektin aloitus- ja johtaja, totesi:

“Esimerkiksi tällainen korkea tarkkuus voisi mahdollistaa gravitaatiodilaation tutkimisen sub‑millimetrin etäisyyksillä. Tämä mahdollistaisi suhteellisuusteorioiden vaikutusten tutkimisen pituusasteikoilla, jotka olivat tähän mennessä saavuttamattomia.”

Yhteenvetona tämä innovaatio, kuten toriumisiirtymästä luettu, tarjosi useita etuja. Yhdellä tasolla nämä edut tarkoittivat ilmiön suoraa soveltamista uusien ratkaisujen kehittämiseen. Toisella tasolla edut ilmenivät uusina avautuneina horisontteina. Teoreettisen fysiikan alalla nämä uudet avautuvat polut johtaisivat tehokkaampiin ratkaisuihin.

Tarkkuuskello, joka hyödynsi strontiumia

Olemme jo tarkastelleet, miten toriumia ja skandiumia on käytetty ajan ja avaruuden uudelleenarviointiin mahdollisimman tarkasti. Vuonna 2022 tutkijat tutkivat strontiumin potentiaalia tässä yhteydessä. 

Tutkimus sisälsi Yhdysvaltain tiedemiesten ryhmän. He väittivät rakentaneensa laitteen, joka on 50 kertaa tarkempi kuin sen atomikellon vertaiset.

Jun Ye:n, National Institute of Standards and Technology (NIST) ja University of Colorado Boulderin, mukaan, tarkkuusominaisuuksiensa lisäksi kello voisi tuoda uusia löytöjä kvanttifysiikassa ja paradigmoissa, jotka ohjaavat alkeishiukkasten dynamiikkaa.

Ratkaisu tutki menestyksekkäästi valon verkkoja, joita kutsutaan optisiksi verkkoiksi. Nämä verkot voivat vangita atomit järjestäytyneesti ja estää atomien putoamisen painovoiman vaikutuksesta tai liikkeet, jotka aiheuttavat tarkkuuden menetyksen. Tarkkuuskello koostui 100 000 strontiumatomista. Jokainen on kerrostettu toistensa päälle pannukinamaiseksi muodostaen noin 1 mm korkuisen kerroksen.

Selittäessään kellon kiehtovia ominaisuuksia, Ye sanoi:

“Avaruus ja aika ovat yhteydessä. Ja niin tarkalla ajan mittauksella näet, miten avaruus muuttuu reaaliajassa – Maa on elävä, elävä organismi.”

Kuten muutkin tähän mennessä käsittelemämme kellot, Ye oli innostunut tämän kellon potentiaalista avata täysin uusi fysiikan aikakausi. Kello pystyi havaitsemaan aikaerot 200 mikrometrin etäisyydellä. 20 mikrometriin pienennettäessä se pystyi tarkemmin tarkastelemaan kvanttimaailman sisäistä dynamiikkaa.

Ajan ja avaruuden uudelleenarviointi toriumin ja muiden avulla: Loppusanat

Uusien ulottuvuuksien avaamisen lisäksi, nämä supertarkat kellot palvelevat monia, monia tarkoituksia, mukaan lukien telekommunikaatio- ja navigaatiolaitteistojen parantaminen. 

Andrew Ludlow, National Institute of Standards and Technologyin (Boulder, Colorado) fyysikko, totesi:

“On monia sovelluksia [kelloille], jotka tarvitsevat vain hyvää vakautta, ja sitten on joukko sovelluksia, joissa pelkkä vakautta ei riitä, vaan tarvitaan myös tarkkuutta.”

Nämä erittäin herkät laitteet voivat mitata jokaisen pienen aaltoliikkeen avaruus‑aikakudoksessa. Ne voivat havaita gravitaatioaaltoja taajuuksilla, jotka ovat lähes saavuttamattomia perinteisille ratkaisuillamme. Korkean suorituskyvyn avaruus‑aikamittauslaitteisto voi havaita pienimmätkin gravitaatiomuutokset syvällä maan alla, mikä voi ennakoida maanjäristyksen tai tulivuorenpurkauksen merkkejä.

Yhteenvetona mahdollisuudet ovat rajattomat, ja tiedemiehet saattavat tulevaisuudessa löytää lisää elementtejä, kuten toriumia, skandiumia ja strontiumia, jotka mullistavat tapamme nähdä avaruus ja aika. 

Klikkaa tästä saadaksesi selville, onko warp‑ajelu fiktiota vai tulevaisuutta.