Muling Pagsusuri sa Oras at Espasyo – Paano Maglalaro ng Papel ang Thorium

Ang konsepto ng oras at espasyo ay palaging kinagigiliwan ng mga siyentipiko. Lahat ng nakikita natin sa paligid ay gumagana sa loob ng isang temporal at spatial na balangkas. Sabi ni Albert Einstein, “Ang isang tao ay bahagi ng kabuuan, na tinatawag nating “Uniberso,” isang bahaging limitado sa oras at espasyo.”

Gayunpaman, ang ating mga pagsusuri sa oras at espasyo ay patuloy na umuunlad kasabay ng mga pag-unlad sa agham at ng ating pilosopikal na pag-unawa dito.

Isa sa mga pinakabagong karagdagan sa pag-usbong na ito, isang bagay na maaaring magbago ng laro o rebolusyonaryo, ay nagmula sa mga mga input ng isang pananaliksik na pinamumunuan ni Prof. Thorsten Schumm mula sa TU Wien (Vienna). Ang inaasahan ay maaaring magbukas ang pananaliksik na ito ng daan para sa mga rebolusyonaryong teknolohiyang napakataas ang katumpakan, kabilang ang mga nuclear na orasan.

Atomikong Nucleus na Pinukaw ng Laser: Ang Kakaibang Kaso ng Paglipat ng Thorium

Matagal nang sinusubukan ng komunidad ng siyensiya na maabot ang isang napaka-tiyak na kalagayan ng mga atomikong nucleus ng thorium na makatutulong sa paggawa ng mga nuclear na orasan na mas mapanuri sa pagsukat ng oras kaysa sa pinakamahusay na magagamit na atomikong orasan sa kasalukuyan.

Sa mas malawak na antas, ang ganitong napakaliit na pagsukat ng oras ay makatutulong upang muling suriin ang mga pangunahing proposisyon ng teoretikal na pisika, kabilang ang tanong tungkol sa mga konstanteng likas: Ang mga konstanteng ito ba ay banal, o nagbabago ba sila sa espasyo at oras?

Upang masukat ang oras nang ganito kasigurado, kinakailangan ang eksaktong kaalaman sa enerhiya upang pasiglahin ang Thorium hanggang sa punto ng atomikong paglipat nito. Sa pamamagitan ng pananaliksik na tinatalakay natin, ang enerhiyang ito ay ngayon alam na sa eksaktong antas. Kaya, sa unang pagkakataon, posible nang ilipat ang isang atomikong nucleus sa mas mataas na estado ng enerhiya gamit ang laser at subaybayan ang pagbabalik nito sa orihinal na estado.

Ang penomenang ito ay isang mapanguna ring tagumpay dahil ito ang unang pagkakataon na dalawang magkaibang larangan ng pisika—quantum physics at nuclear physics—ay maaaring pagsamahin sa iisang proseso. Ang pananaliksik ay nagkinailangan ng pagbuo ng mga espesyal na kristal na naglalaman ng thorium.

Mula pa noong 1970s, alam na ng mga siyentipiko ang posibilidad ng isang espesyal na atomikong nucleus na maaaring manipulahin gamit ang laser. Gayunpaman, ang pagkamit ng tagumpay ay nangangailangan ng eksaktong kaalaman sa enerhiya ng paglipat nang lubos na tumpak. Ayon kay Prof. Thorsten Schumm:

“Ang pagkakakilala sa enerhiya ng paglipat na ito sa loob ng isang electron volt ay halos walang silbi kung kailangan mong tamaan ang tamang enerhiya na may katumpakan na isang-milyonth ng isang electron volt upang matuklasan ang paglipat.”

Upang magtagumpay sa misyon na ito, na halos imposible noong panahong iyon, nag-develop ang koponan ng mga kristal na naglalaman ng napakaraming atom ng thorium.

Si Fabian Schaden, ang mananaliksik na responsable sa pagdidisenyo ng mga kristal na ito sa Vienna, ay nagbigay ng sumusunod upang ipaliwanag ang mga komplikasyong kasangkot:

“Bagaman ito ay teknikal na medyo kumplikado, may kalamangan ito na hindi lamang natin maaaring pag-aralan ang indibidwal na thorium nuclei sa ganitong paraan kundi maaari rin nating tamaan nang sabay-sabay ang humigit-kumulang sampung sa puwersa ng labing-pito (10^17) na thorium nuclei gamit ang laser – mga isang milyong beses higit pa kaysa sa bilang ng mga bituin sa ating galaksiya.”

Ang pagkakaroon ng napakaraming thorium nuclei ay nagpalakas ng epekto, nagbawas ng kinakailangang oras ng pagsukat, at nagtaas ng tsansa na tunay na matuklasan ang enerhiya ng paglipat.

Gaano kahalaga ang breakthrough na ito? Ayon kay Thorsten Schumm:

“Para sa amin, ito ay isang pangarap na natutupad.” Idinagdag pa niya, “Kami ay natutuwa na kami na ngayon ang makakapagbigay ng mahalagang breakthrough: Ang unang target na laser excitation ng isang atomikong nucleus.”

I-click dito para sa listahan ng limang pinakamahusay na nuclear na stock na maaaring pag-investan.

Ang Epekto ng Tagumpay sa mga Konsepto ng Oras at Espasyo

Ang tagumpay na nakamit sa pananaliksik na ito ay magdudulot ng mas sopistikadong mga instrumentong may katumpakan. Ang mga orasan ay gagamitin ang pag-oscillate ng liwanag na nag-aaktibo ng paglipat ng thorium upang maging mga bagong bersyon na maaaring mas tumpak kaysa sa pinakamahusay na atomikong orasan na magagamit ngayon.

Ang penomena ay maaari ring makatulong sa mas tumpak na pagsusuri ng mga gravitational field ng mundo, na maaaring makatulong sa pagtukoy ng mga mineral na yaman at magpahiwatig ng paglapit ng mga lindol nang may mas mataas na katumpakan.

Hindi pa tiyak ng mga mananaliksik ang buong saklaw ng mga posibleng aplikasyon, ngunit sigurado sila na ang potensyal ay maaaring walang hanggan. Sa mga salita ni Thorsten Schumm:

“Ang aming paraan ng pagsukat ay simula pa lamang. Hindi pa namin matantiya kung anong mga resulta ang makakamit namin gamit ito. Tiyak na magiging napaka-kapanapanabik.”

Ang pananaliksik na ito ay maaaring lubos na makinabang sa mga negosyo na nagde-develop ng mga sopistikadong precision na orasan. Narito ang ilang mga kumpanya.

#1. Microsemi

Ang Microsemi ay kilala sa buong mundo para sa kakayahan nito sa mga atomic na orasan. Ang mga ito ay mga orasan kung saan ang electrical oscillator ay kinokontrol ng natural na frequency ng pag-vibrate ng isang atomikong sistema, na maaaring mga Caesium atom beams, ammonia atoms, o rubidium.

Ang mga atomic na orasan ng Microsemi ay kilala sa pagbibigay ng higit sa 90% ng input sa Universal Coordinated Time (UTC). Ito rin ang tanging komersyal na tagapagbigay sa mundo ng mga Caesium beam-tube na orasan, na matatagpuan sa mga pambansang laboratoryo sa buong mundo.

Itinatakda ng kumpanya ang sarili nito bilang nangungunang tagapagbigay ng gas-cell na mga atomic na orasan, kabilang ang Chip Scale Atomic Clock (CSAC), ang pinakamaliit at pinakamababang konsumo ng enerhiya na atomic na orasan sa mundo, at ang Miniature Atomic Clock (MAC).

Ayon sa Microsemi, ang kanilang Caesium atomic na orasan ay lalo na kapaki-pakinabang sa komunikasyon. Ang mga orasan na ito ay maaaring napakaepektibong mag-back up sa teknolohiyang GNSS/GPS para sa mga aplikasyon ng frequency, oras, at phase.

Ang Caesium ay gumagana na may offset mula sa UTC na may katumpakan na 1×10-12. Ginagawa nitong ang Caesium na orasan ay kayang mag-back up sa GNSS/GPS nang walang pagbaba sa performance para sa mga frequency na aplikasyon. Pinapahintulutan nito ang holdover mode ng operasyon para sa mga aplikasyon ng oras at phase.

Gayunpaman, dahil sa tagumpay ng pananaliksik na ‘thorium transition’, ngayon ay may mga mapagkukunan na ang Microsemi upang makabuo ng mas tumpak at pinong orasan.

Sa pangkalahatan, ang Microsemi Corporation ay isang ganap na pag-aari na subsidiary ng Microchip Technology Inc. (Nasdaq: MCHP). Sa fiscal year 2023, nagrehistro ang Microchip ng net sales na higit sa US$8.4 bilyon. Sa FY 2023, nagbalik ang kumpanya ng $1.64 bilyon sa mga stockholder nito kumpara sa $0.9 bilyon na ibinalik nito noong fiscal 2022.

#2. General Atomics

Noong Oktubre 2021, inanunsyo ng General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) na natapos na nila ang Deep Space Atomic mission ng NASA’s Jet Propulsion Laboratory. Ayon sa presidente ng GA-EMS, si Scott Forney:

“Ang tagumpay ng misyon ng DSAC sa board ng OTB ay nagbubukas ng daan para sa mga susunod na pagsisikap na paunlarin ang mahahalagang teknolohiyang nakabatay sa kalawakan at mailagay ang mga ito sa orbit gamit ang maaasahan at matibay na disenyo ng satelayt.”

Ang DSAC ay isang miniaturized, sobrang tumpak na mercury-ion atomic clock. Ayon sa pagsusuri ng General Atomics, ito ay nagpakita ng makabuluhang pinahusay na timing stability kumpara sa ibang mga atomic na orasan na ginagamit sa mga GPS satellite. Kaya nitong sukatin ang oras nang tuloy-tuloy sa mahabang panahon at suportahan ang deep space navigation at eksplorasyon.

Nauunawaan na ang General Atomics ay isang kumpanya na makikinabang nang malaki mula sa pananaliksik na ‘Thorium Transition’.

Sa kanyang pinakapuso, ang General Atomics ay isang kumpanya ng depensa at iba’t ibang teknolohiya. Noong 2023, kumita ang kumpanya ng kita na US$3.1 bilyon.

Habang ang Nuclear clock ay patungo sa mas mataas na katumpakan, patuloy na nagde-develop ang mga siyentipiko ng mga solusyon na nagbunga ng bagong henerasyon ng mga atomic na orasan. Sa isang eksperimento sa European XFEL X-ray laser, ginamit ng mga mananaliksik ang elementong Scandium.

Isang Napakataas na Tumpak na Atomikong Orasan: Paggamit ng Scandium para sa Napakamatinding Pamantayan ng Katumpakan

Gumamit ang mga mananaliksik ng Scandium upang makamit ang katumpakan na isang segundo sa loob ng 300 bilyong taon, na isang libong beses na mas tumpak kaysa sa kasalukuyang pamantayan ng mga atomikong orasan na batay sa caesium.

Katulad ng paglipat ng Thorium na tinalakay natin sa simula, nagawang pasiglahin ng mga mananaliksik sa European XFEL ang isang pangakong paglipat sa nucleus ng Scandium. Ang Scandium ay madaling makuha bilang mataas na purong metal foil o bilang compound na scandium dioxide. Ang kinakailangang enerhiya upang eksaktong pasiglahin ito para sa nasabing layunin ay nangangailangan ng X-rays na may enerhiya na 12.4 kilo electron volts (keV), na halos 10,000 beses na mas mataas kaysa sa enerhiya ng nakikitang liwanag.

May lapad lamang itong 1.4 femto-electron volts (eV) o 1.4 quadrillionths ng isang electron volt, na halos isang-sampung bahagi ng isang trillionth ng enerhiya ng pag-excite (10-19). Nakatulong ito upang maabot ang katumpakan na 1:10,000,000,000,000, na katumbas ng isang segundo sa loob ng 300 bilyong taon.

Habang ipinaliwanag ang mga posibleng benepisyo ng pananaliksik na ito at ang tagumpay nito, binigyang-diin ng mga mananaliksik ang maraming bagay. Halimbawa, ang mga atomikong orasan na may pinahusay na katumpakan ay maaaring makatulong sa mas tumpak na pagposisyon ng mga satelayt. Binigyang-diin din ng mga mananaliksik ang potensyal ng atomikong orasan bilang daan para sa mga nuclear na orasan sa hinaharap.

Ayon sa project leader ng eksperimento, si Yuri Shvyd’ko ng Argonne National Laboratory sa United States:

“Ang breakthrough sa resonant excitation ng scandium at ang eksaktong pagsukat ng enerhiya nito ay nagbubukas ng mga bagong daan hindi lamang para sa mga nuclear na orasan kundi pati na rin para sa ultrahigh-precision spectroscopy at eksaktong pagsukat ng mga pangunahing pisikal na epekto.”

Binanggit naman ni Olga Kocharovskaya ng Texas A&M University sa US, na siyang nagpasimula at namuno sa proyekto, ang sumusunod:

“Halimbawa, ang ganitong mataas na katumpakan ay maaaring magbigay-daan upang masuri ang gravitational time dilation sa sub-millimeter na distansya. Ito ay magpapahintulot sa pag-aaral ng mga relativistic na epekto sa mga sukat na dati ay hindi naaabot.”

Sa kabuuan, ang inobasyong ito, katulad ng nabasa natin tungkol sa thorium transition, ay may ilang benepisyo. Sa isang antas, ang mga benepisyong ito ay nangangahulugang direktang pag-aaplay ng penomena sa pagbuo ng mga bagong solusyon. Sa ibang antas, ang mga benepisyo ay nasa anyo ng mga bagong bukas na horizon. Sa larangan ng teoretikal na pisika, ang mga bagong bukas na daang ito ay magreresulta sa mas epektibong mga solusyon.

Ang Precision na Orasan na Gumamit ng Strontium

Tinalakay na natin kung paano ginamit ang Thorium at scandium upang muling suriin ang oras at espasyo sa pinakamaliit na antas. Noong 2022, sinuri ng mga mananaliksik ang potensyal ng Strontium sa usaping ito.

Kasama sa pananaliksik ang isang grupo ng mga siyentipikong Amerikano. Ipinahayag nila na nakabuo sila ng isang aparato na 50 beses na mas tumpak kaysa sa mga kapantay nitong atomic na orasan.

Ayon kay Jun Ye, na kasapi ng National Institute of Standards and Technology (NIST) at ng University of Colorado Boulder, bukod sa mga tampok nitong katumpakan, ang orasan ay maaaring magdala ng mga bagong tuklas sa quantum mechanics at mga paradigma na gumagabay sa dinamika ng subatomic na mundo.

Matagumpay na sinuri ng solusyon ang mga web ng liwanag, na kilala bilang optical lattices. Ang mga lattice na ito ay maaaring hulihin ang mga atom sa isang maayos na paraan at pigilan ang mga atom mula sa pagbagsak dulot ng gravity o mga galaw na nagdudulot ng pagkawala ng katumpakan. Ang precision na orasan ay binubuo ng 100,000 na atom ng strontium. Ang bawat isa ay pinapahigpit sa isa’t isa na parang pancake upang bumuo ng taas na humigit-kumulang 1 milimetro.

Katulad ng ibang mga orasan na tinalakay natin, nasasabik si Ye sa potensyal ng orasan na ito na magpasok ng ganap na bagong yugto ng pisika. Ang orasan ay maaaring madetect ang mga pagkakaiba sa oras sa loob ng 200 microns. Kapag binawasan sa 20 microns, mas epektibo nitong masusuri ang panloob na dinamika ng quantum na mundo.

“Ang espasyo at oras ay konektado. At sa ganitong tumpak na pagsukat ng oras, makikita mo kung paano nagbabago ang espasyo sa real-time—ang Mundo ay isang masigla, buhay na katawan.”

Muling Pagsusuri sa Oras at Espasyo gamit ang Thorium at Iba Pa: Mga Pangwakas na Salita

Bukod sa pagbubukas ng mga bagong dimensyon tungkol sa temporal at spatial na kalikasan ng ating uniberso, ang mga super precision na orasan ay nagsisilbi sa napakaraming layunin, kabilang ang pagpapabuti ng ating mga sistema ng telekomunikasyon at nabigasyon.

Ayon kay Andrew Ludlow, isang physicist mula sa National Institute of Standards and Technology sa Boulder, Colorado:

“Maraming aplikasyon [para sa mga orasan] na nangangailangan lamang ng napakagandang katatagan, at may hanay ng mga aplikasyon kung saan hindi sapat ang katatagan lamang, kailangan mo rin ng katumpakan.”

Ang mga super-sensitibong device na ito ay maaaring sukatin ang bawat maliit na alon sa space-time. Maaari nilang matuklasan ang mga gravitational wave sa mga frequency na halos hindi naaabot ng ating karaniwang solusyon. Ang isang mataas na performance na device na sumusukat ng space-time ay maaaring maramdaman ang pinakamaliit na pagbabago sa gravity na nangyayari sa ilalim ng lupa upang magpahiwatig ng mga kondisyon ng signal na paunang palatandaan ng lindol o pagputok ng bulkan.

Sa kabuuan, walang hangganan ang mga posibilidad, at maaaring matuklasan ng mga siyentipiko ang higit pang mga elemento tulad ng Thorium, scandium, at strontium sa mga darating na araw na magbabago sa paraan ng ating pagtingin sa espasyo at oras.

I-click dito upang malaman kung ang warp drive ay kathang-isip o hinaharap.