Вместе с тем российские физики изучают принципиально другую схему — ядерные часы. Там переходы не электронов, а изомеров — метастабильных состояний ядра, в которых один или несколько нуклонов (протонов или нейтронов) занимают более высокие или низкие энергетические уровни. Конкретно — экспериментируют с низкоэнергетическим изомерным переходом в ядре тория-229.
"Когда электрон перескакивает на уровень с меньшей энергией, излучается фотон — свет, который мы видим, — объясняет профессор НИЯУ МИФИ и главный научный сотрудник ФИАН Евгений Ткаля. — В ядре тория-229 — то же самое. Только переход коллективный — протонов и нейтронов. Главный вопрос — определить точное значение энергии перехода".
Подобные исследования проводят в США, Европе и Австралии, но российские физики продвинулись дальше всех. Да и сама эта идея возникла в России. В 1976-м гамма-спектроскопия впервые показала, что есть изомер торий-229m с очень низкой энергией возбуждения, ядро представляет собой дуплет энергетических уровней, разнесенных лишь на несколько электронвольт. Это самый низкоэнергетический ядерный переход из всех известных.
Чтобы возбудить атом, нужно подобрать частоту световой волны, соответствующую энергии перехода. А у тория-229 она настолько низкая, что возможно прямое лазерное возбуждение. Ожидается, что ядерные часы будут на порядок точнее, чем лучшие современные оптические атомные часы, и приблизятся к уровню 10-19. При таком показателе погрешность в одну секунду накопится за 30 миллиардов лет, что значительно превышает возраст Вселенной.
Столь высокая точность нужна для определения положения космических кораблей, спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных лодок, беспилотных автомобилей. Атомные часы используются в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, в базовых станциях мобильной связи, а также международными и национальными бюро стандартов и службами, которые транслируют сигналы точного времени.
В частности, Международное бюро мер и весов, ежедневно сверяя через спутниковую связь атомные часы по всей планете, рассчитывает Всемирное координированное время (UTC) для глобальной навигации, спутниковой связи, служб синхронизации информационных сетей и всех гражданских приложений с геолокацией.
В сверхточных оптических часах заинтересованы такие российские организации, как ГЛОНАСС, Единая система координатно-временного обеспечения России, предприятия "Роскосмоса".
Но прежде всего новый стандарт нужен для более точного измерения частоты — величины, обратной времени. Каждый переход — например, с наносекундного (10-9) на пикосекундный (10-12), а затем и на фемтосекундный (10-15) — это другой технологический уровень. Уже сейчас существуют приборы, способные работать на частотах, обратных аттосекунде (10-18). Их ждут гравиметристы, геодезисты, геофизики, геологи, океанологи и другие ученые. Но универсального стандарта времени для калибровки пока нет.
"Например, для измерения гравитационных сдвигов нужны часы, определяющие время и частоту с относительной точностью до 17-18-го знака, — говорит доцент НИЯУ МИФИ Петр Борисюк. — Стандарт в 10-16 этого не обеспечивает. Его повышение откроет новый этап технологического развития, даст импульс созданию следующего поколения приборов — квантовых гравиметров, детекторов электромагнитных полей, улучшит работу ГЛОНАСС и GPS, позволит создать более совершенные системы удаленного поиска полезных ископаемых и так далее".
О научной значимости этого направления говорит то, что в 1997-м за создание методов охлаждения и удержания атомов с помощью лазерного света, который на два порядка поднял точность атомных часов, присудили Нобелевскую премию по физике. Еще три — в 2001-м, 2005-м и 2012-м — дали за открытия, имеющие прямое отношение к разработке и развитию технологии атомных часов.
