Что общего у России и тория-229? Новый стандарт времени для точнейших часов

Время — неумолимое, загадочное и всепроникающее. Мы привыкли считать его точным и надёжным, но что, если современные часы уже не справляются? Говорят, что пунктуальность — вежливость королей. С другой стороны, если так подумать, то для повседневной жизни нам не нужны часы, которые измеряют время с точностью до миллиардной доли секунды. Но что, если без таких устройств современный мир буквально остановился бы? GPS бы перестал показывать маршрут, банковские переводы начали бы блуждать во времени, а о связи нового поколения и вовсе оставалось лишь мечтать. К счастью, в научных лабораториях уже готовится революция в измерении времени — новый стандарт на основе ядра тория-229. Как мы измеряем секунды сегодня? Прежде чем углубиться в новые открытия, давайте разберёмся, как вообще рождается секунда. Когда-то её измеряли с помощью маятника, потом придумали кварцевые осцилляторы. Но их точности оказалось мало для решения задач вроде управления спутниками. Так на смену пришли атомные часы, где роль маятника играют атомы. Сейчас весь мир сверяется с атомами цезия-133: они излучают электромагнитные колебания, и учёные смогли вычислить, что одна секунда равна 9 192 631 770 таким периодам. Достаточно точно, не так ли? Атомные часы стали эталоном ещё в 1967 году и с тех пор являются основой для всего: от спутниковой навигации до интернет-связи, но вот незадача — даже эти часы со временем начали сдавать позиции. Теперь даже их точности недостаточно для самых современных задач. Зачем миру такая точность? Казалось бы: зачем обычным людям вообще такая точность до миллиардной доли секунды, если и так видно время на экране телефона? На первый взгляд так и есть. Однако, вспомните, как работает GPS. Чтобы определить ваше местоположение, спутники должны обмениваться сигналами путем измерения расстояния до вас. Если погрешность в расчёте времени всего на пару наносекунд, ваше местоположение может сместиться на несколько метров. А если вы — беспилотный автомобиль, ошибка в пару метров может привести к аварии. Теперь представьте мир, где связь 6G позволяет передавать данные молниеносно, а весь транспорт синхронизирован через интернет вещей. Для этого нужны не просто точные часы — они должны быть идеальными. И вот тут в игру вступает торий-229. Торий-229 Секрет новых сверхточных часов — в ядре тория-229. Это радиоактивное вещество давно привлекало учёных, но заставить его работать было крайне сложно. В атомных часах излучение генерируется электронами, которые вращаются вокруг ядра. Однако, электроны чувствительны к внешним полям, что ограничивает точность. У тория всё иначе: его ядро само по себе генерирует излучение, и оно в пять порядков меньше атома, то есть внешние воздействия почти не влияют на его работу. Идея использовать торий-229 витала в воздухе десятилетиями, но только в этом году учёные смогли найти нужную частоту лазерного излучения, чтобы заставить ядро тория резонировать. Вот так впервые и появилась реальная возможность создать часы, которые смогут измерять секунды с точностью до 10^-20 степени (правда, техника изготовления кристаллов и возбуждения перехода очень сложная). Перспективы тория Итак, что же нам даст торий? Ну, из очевидного и полезного — это навигация с точностью до сантиметров. Спутники с такими часами смогут показывать ваше местоположение с невероятной точностью (а не как раньше: вы где-то рядом, но возможно и не тут). Это важно не только для автомобилистов, но и для беспилотников, логистики и даже сельского хозяйства. А ещё есть интернет вещей, 6G, умные города (многое вокруг становится умным, кроме некоторых) — всё это требует синхронизации данных на невероятной скорости. Ториевые часы и тут помогут — системы будут намного более стабильны. Ну и, конечно, без науки никуда. Мы и так пока что в колыбели знаний, но новая точность поможет изучать фундаментальные законы природы, в том числе вопросы, которые связаны с гравитацией и квантовой механикой. Российские секунды В России формирование единицы секунды и национальной шкалы времени происходит в лаборатории измерительно-вычислительных систем и комплексов Государственного первичного эталона времени и частоты. Она расположена во ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений. Именно тут находятся цезиевые атомные часы фонтанного типа. И работают они довольно забавно (ну для вещей, которые связаны с ядерной физикой): охлаждённые атомы цезия подбрасываются вверх на двухметровую высоту, как в настоящем водяном фонтане. Там они регистрируются, а затем снова летят вниз. Этот процесс позволяет с невероятной точностью фиксировать колебания атомов и, соответственно, определять секунду. Погрешность в подсчёте периодов составляет всего 1,2 × 10^-16 степени. Такая же точность достигнута у эталонов времени во всех ведущих странах мира. Эти часы лежат в основе точной работы спутниковых систем, банковских операций и вот этого всего, но учёные продолжают совершенствовать технологии, чтобы ещё больше минимизировать погрешность. Ведь в мире, где каждая наносекунда на счету, эта гонка за точностью никогда не закончится. К слову, пока что в результате наработок учёных из разных стран по торию погрешность измерений составляет 10^-15 степени, что меньше, чем у цезия. Но стремиться к заветной погрешности 10^-20 будут все, хоть это и сложно. И помочь в этой гонке нам может «Росатом». Он способен производить торий-229 в необходимых количествах, что недоступно многим странам. Кроме того, работы ведутся и в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ», Казанском федеральном центре и Физическом институте имени Лебедева. В общем, у России пока что есть все шансы. Вместо заключения или существует ли время вообще? Когда речь заходит о таких тонких вещах, как измерение времени, возникает странный вопрос: а что, собственно, мы измеряем? Время — это реальность или просто инструмент для упорядочивания событий? Некоторые физики считают, что время — это лишь иллюзия, которая создана нашим восприятием изменений. Ведь если остановить все процессы во Вселенной, то исчезнет и сама необходимость в времени. С другой стороны, современная физика оперирует временем как фундаментальной величиной, которая связана с пространством и гравитацией. Кто-то думает, что это — созидательный процесс, который позволяет возникать новому. Так считают многие современные учёные, например, Николас Гизин, который разделяет время на геометрическое (описывающее детерминированные процессы, то есть те, которые можно в любой момент времени точно описать формулами) и креативное, связанное с созданием новой информации. Но что это значит для нас? Возможно, время — это больше, чем просто единица измерения. Это ключ к пониманию устройства Вселенной. Чем точнее мы научимся измерять время, тем больше мы узнаем о её происхождении, развитии и конечной судьбе. И всё же, за всеми этими размышлениями остаётся что-то глубоко личное. Каждую секунду мы проживаем, приобретаем и теряем. Время неизбежно движется вперёд, а мы остаёмся с воспоминаниями о том, что уже никогда не повторится. Оно одинаково для всех, но в каждом из нас оставляет разные следы — радости, горя, потерь. В конце концов, неважно, какие технологии мы изобретём. Даже самая точная секунда не способна отразить радость момента или заполнить пустоту утраты. Мы измеряем время, чтобы упорядочить хаос, но что делать с тем, что оно уносит навсегда? И пусть обычные наручные часы, скорее всего, никогда не будут работать на тории, мы уже на пороге эпохи, где каждая секунда станет точной как никогда. Но, возможно, вся эта точность и не имеет значения, если она не способна остановить бег времени или вернуть самое дорогое.