Si të bëni një shënues të orës bërthamore

Megjithëse nuk janë kryesisht të dobishme për të treguar kohën, orët bërthamore mund t’i lejojnë shkencëtarët të testojnë kuptimin themelor të njerëzimit se si funksionon realiteti.

Thorsten Schumm është një orëpunues, por jo nga ai lloji që ulet në një tavolinë pune të mbuluar me susta dhe dhëmbëza, një lupë zmadhuese e bllokuar në njërin sy. Jo, ai po bën një orë që është në një ligë krejtësisht të ndryshme.

Orët atomike mund të duken mjaft të njohura – por nëse kërkimi i Schumm shkon sipas planit, mund të rezultojë në një orë bërthamore. Dhe jo thjesht të tregojë kohën, por mund të ndihmojë në zbulimin e disa prej sekreteve më të ruajtura të universit.

“Kjo është ende një ëndërr,” tha Schumm, një profesor në Universitetin e Teknologjisë të Vjenës në Austri. Askush nuk e di se si ta bëjë këtë.

Ai synon ta ndryshojë këtë dhe, në këtë proces, të hedhë dritë mbi disa nga forcat themelore të natyrës.

Një orë mund të bazohet në çdo gjë që lëkundet në intervale të rregullta dhe mund të lexohet. Orët e para ishin mekanike. Shumë orë dore sot përdorin lëkundjet elektromekanike të një kristali kuarci.

Por teknologjia e orës u rrit me shpejtësi në vitet 1950 me ardhjen e orëve atomike.

Atomet përbëhen nga një bërthamë e rrethuar nga një re rrotulluese e elektroneve. Shkalla e një ore atomike varet nga “kalimet kuantike” që bëjnë këto elektrone.

Punon kështu. Elektronet mund të thithin një paketë energjie, e cila i lëviz ata nga një “gjendje bazë” në një “gjendje të ngacmuar” të energjisë më të lartë. Pastaj ata mund të kthehen në gjendjen bazë, duke e lëshuar atë paketë energjie në rrugën e tyre poshtë.

Këto kalime të energjisë ndodhin me një frekuencë të veçantë që mund të përdoret për matjen e kohës. E gjithë kjo ndodh çuditërisht shpejt.

Për shembull, një sekondë përkufizohet zyrtarisht si 9 192 631 770 lëkundje të një pakete energjie që ngacmon një atom cezium-133.

Orët atomike janë kaq të sakta sepse prodhojnë shumë lëkundje, ose rriqra. Pra, nëse mekanizmi i leximit humbet një ose dy prej tyre, në përgjithësi nuk është shumë problem kur ka më shumë se 9 miliardë në sekondë.

Orët bërthamore janë të ndryshme. Këpusha nuk do të varet nga elektronet, por më tepër nga dridhjet e vetë bërthamës. Këto janë shumë herë më të shpejta se rriqrat e tranzicionit të elektroneve.

Por, siç thotë Schumm, puna vazhdon për vendosjen dhe funksionimin e një ore bërthamore.

Ai u interesua për zgjidhjen e këtij misteri bërthamor pjesërisht për shkak të bezdisjes.

Rezulton se një izotop i rrallë i elementit torium-229 është materiali më i lehtë nga i cili mund të ndërtohet një orë bërthamore. Kjo për shkak se mendohet se ka rriqrat më të ngadalta të çdo bërthame. Plus, instituti ku punon Schumm është një nga vendet e pakta që mund të aksesojë këtë material.

Thorium-229 nuk ndodh natyrshëm. Ai prodhohet vetëm përmes kalbjes bërthamore të disa llojeve të uraniumit.

Universiteti i Teknologjisë i Vjenës ka një marrëveshje me Laboratorin Kombëtar Oakridge në SHBA që i lejon atij të marrë një pjesë të toriumit-229 nga uraniumi i mbetur i përdorur në provat bërthamore dekada më parë.

Nuk ishte e humbur në Schumm që emri i tij i parë dhe emri i elementit rrjedhin nga perëndia mitike norvegjeze, Thor.

Që nga viti 2020, Schumm ka kryer kërkime bazë për krijimin e një ore bërthamore në kuadër të projektit ThoriumNuclearClock të financuar nga BE, që do të vazhdojë deri në fillim të vitit 2026.

Ai dhe kolegu i tij Profesor Ekkehard Peik i Institutit Kombëtar të Metrologjisë të Gjermanisë në Braunschweig ndajnë rolin e projektit të hetuesve kryesorë, së bashku me Marianna Safronova nga Universiteti i Delaware në SHBA dhe Peter Thirolf nga LMU Mynih në Gjermani.

Për të vendosur një orë bërthamore që troket, ajo ka nevojë për një shtytje me një lazer të vendosur saktësisht në nivelin e duhur të energjisë. Por për shumicën e bërthamave, frekuenca e kërkuar e energjisë nuk është aspak e arritshme me teknologjinë aktuale lazer.

Thorium-229 është një nga bërthamat më të mëdha të qëndrueshme që ekzistojnë. Mendohej se mund të adoptonte një gjendje me një energji shumë të ulët që mund të arrinin lazerët aktualë – megjithëse askush nuk e kupton vërtet se si dhe pse e bën këtë.

“Për të filluar, as që ishte vërtet e qartë se ekzistonte kjo gjendje e torium-229,” tha Schumm.

Tani dihet se ekziston. Në vitin 2020, Schumm dhe kolegët e tij publikuan një matje të nivelit të energjisë së izotopit. Që atëherë, ata kanë vazhduar të ndërtojnë mbi atë njohuri.

E gjithë kjo hap rrugën për të testuar orën realisht. Schumm dhe kolegët e tij studiues kanë punuar në ndërtimin e një lazeri që është projektuar me porosi për të gudulisur toriumin në frekuencën e duhur.

Së shpejti ata planifikojnë ta drejtojnë këtë lazer në disa atome të toriumit të bllokuar për herë të parë në një përpjekje për t’i filluar ato.

“Ne jemi shumë të emocionuar për rezultatin e këtij eksperimenti sepse është diçka që nuk është bërë kurrë më parë,” tha Peik. “Ne dhe të tjerët kemi provuar eksperimente të lidhura me torium-229 në të kaluarën pa sukses. Këtë herë ndjejmë se jemi shumë më të përgatitur’.

Për ato eksperimente, atomet e toriumit do të mbahen në kurthe atomike – një biznes shumë i vështirë. Pra, ndërsa ThoriumNuclearClock tashmë ishte duke u zhvilluar, Schumm gjithashtu drejtoi një projekt dy-vjeçar të financuar nga BE të quajtur CRYSTALCLOCK, i cili synonte të zhvillonte një dizajn më të thjeshtë dhe mekanizëm leximi për një orë bërthamore.

Ideja këtu ishte të rritej një kristal i përbërë nga fluori i kalciumit dhe të shpërndahej një shpërndarje e atomeve të torium-229 nëpër material. Kjo siguron një material të fortë që është shumë më i lehtë për t’u punuar sesa kurthe atomike.

Schumm dhe kolegët e tij, duke përfshirë Dr. Tomas Sikorsky, botuan një punim që demonstron se këto kristale të dopuara me torium mund të rriten në vitin 2022. Hapi tjetër do të jetë fillimi i studimit se si mund të lexohet rriqra e këtyre kristaleve.

Schumm thotë se një teknikë e quajtur tomografi bërthamore mund të përshtatet për këtë qëllim dhe i gjithë procesi do të ishte shumë më i lehtë sesa përdorimi i atomeve të toriumit në kurthe.

Kjo ia vlen të shqetësohet jo sepse nevojiten orë më të sakta, por sepse mund të testohet kuptimi themelor i njerëzimit se si funksionon realiteti.

Teoritë më të mira të fizikës shpjegojnë se universi ka katër forca themelore: graviteti, elektromagnetizmi, forca e dobët bërthamore dhe forca e fortë bërthamore. Fuqia e këtyre forcave është e njohur dhe ata numra shpesh quhen “konstante” themelore.

Por nuk dihet nëse forca e këtyre forcave ka qenë dhe do të jetë gjithmonë e njëjtë. Ka indikacione se forcat ishin shumë më të forta në të kaluarën e largët, afër Big Bengut, dhe ato madje mund të ndryshojnë ende në masën më të vogël.

Orët atomike dhe ato bërthamore mund të bëjnë të mundur vënien në provë. Kërcimi i një ore atomike ndikohet kryesisht nga forca e elektromagnetizmit, kështu që nëse shpejtësia e tik-takut fillon të ndryshojë, kjo do të sugjeronte një zhvendosje në forcën themelore.

Sidoqoftë, elektromagnetizmi është shumë i dobët, kështu që orët atomike, pavarësisht saktësisë së tyre të lë pa frymë, mund të mos jenë kurrë në gjendje të kapin ndonjë ndryshim në të.

Në të kundërt, tik-takimet e orës bërthamore ndikohen nga forca e fortë. Pra, nëse dhe kur do të krijohej një orë bërthamore e punës, ajo mund të përdoret për të monitoruar nëse ka ndonjë ndryshim në forcën e fortë gjatë periudhave kohore.

“Të kalosh nga atomet në bërthama nuk ka të bëjë me një orë më të mirë”, tha Schumm. “Në fakt, ka të ngjarë që ora e parë bërthamore të mos jetë aq e mirë sa orët më të mira atomike. Çështja është më shumë për të pasur një lloj teknologjie krejtësisht të re që në thelb mund të testojë forcën e fortë.’