Физики впервые построили ядерные часы

Это давняя мечта физиков: о ядерных часах говорили десятилетиями, но построить их никак не удавалось. Теперь получилось — и сразу в двух лабораториях, разными путями.

Важная оговорка: обе работы пока опубликованы в виде препринтов — то есть научных статей, которые ещё не прошли независимую проверку других учёных. Это серьёзный шаг, но окончательные выводы делать рано.

Детали

Чтобы понять, в чём прорыв, нужно вспомнить, как вообще работают точные часы. Любые часы что-то считают: маятник, колебания кварца, секундную стрелку. Чем стабильнее то, что мы считаем, тем точнее часы.

Самые точные часы на сегодня — атомные. Они считают колебания электронов, которые «перепрыгивают» между уровнями энергии в атоме. Эти колебания невероятно стабильны, поэтому атомные часы ошибаются на одну секунду за миллиарды лет.

Ядерные часы устроены похоже, но считают они не электроны, а изменения внутри самого ядра атома — там, где находятся протоны и нейтроны. И в этом главное преимущество: ядро спрятано глубоко внутри атома и гораздо лучше защищено от внешних помех — случайных электрических и магнитных полей. А значит, и часы на его основе могут быть ещё точнее и надёжнее атомных.

Проблема была в том, что почти ни одно ядро для этого не подходит. Из всей таблицы Менделеева годится только один элемент — торий-229. У его ядра «энергетический скачок» оказался ровно такого размера, чтобы его можно было запустить и измерить с помощью лазера. Но и тут была сложность: нужен особый лазер, работающий в так называемом вакуумном ультрафиолете — это излучение, которое очень трудно получить и которым тяжело управлять.

Обе команды решили задачу одинаково: они «вживили» ядра тория в кристаллы фторида кальция и направили на них точно настроенный лазер. Дальше подходы разошлись. Китайская группа из Университета Цинхуа использовала более мощный лазер. Европейская группа из Венского центра квантовой науки и технологий взяла кристалл с большей концентрацией тория.

Проверяли результат тоже по-разному. Китайцы показали, что их устройство стабильно «удерживает» частоту лазера, привязав её к ядру с потрясающей точностью — отклонение составило примерно одну часть на 10 триллионов за сутки работы. А австрийцы сразу применили свои часы для поиска тёмной материи — загадочной субстанции, из которой, как считается, состоит большая часть массы Вселенной. Признаков тёмной материи они не нашли, но чувствительность прибора оказалась не хуже, а местами и лучше, чем у лучших атомных часов.

Почему это важно

Ядерные часы — это не просто «часы поточнее». Это новый инструмент для изучения самых глубоких загадок физики.

Например, с их помощью можно проверить, действительно ли постоянны фундаментальные константы — те базовые величины, на которых держатся законы природы. Если эти константы хоть чуть-чуть меняются со временем, сверхточные часы способны это заметить.

А если технологию удастся уменьшить до компактных размеров, ядерные часы могут найти применение в системах навигации, в приборах, измеряющих гравитацию, и в экспериментах, которые сегодня просто недоступны для существующего оборудования.

При этом стоит повторить: это только начало. Часы работают в лаборатории, прошли первые проверки — но впереди и рецензирование, и доработка, и миниатюризация.

Бэкграунд

Измерение времени — одна из самых точных областей науки, и она напрямую влияет на повседневную жизнь. От точности часов зависит, например, работа спутниковой навигации вроде GPS: ошибка всего в наносекунды превращается в метры погрешности на земле.

Идея ядерных часов появилась давно, но превратить её в работающее устройство мешала именно техническая сложность с лазером нужного типа. Прорыв стал возможен после того, как в последние годы физики научились точно «попадать» лазером в ядро тория-229. Нынешние работы — следующий логичный шаг: от того, чтобы просто «увидеть» ядерный переход, к тому, чтобы построить на его основе реальные часы.

То, что результат независимо получили сразу две команды разными методами, особенно важно. В науке именно воспроизводимость — когда другие исследователи приходят к тому же выводу — служит главным признаком надёжности.

Источник

Работа основана на двух независимых исследованиях, опубликованных в виде препринтов на arXiv в 2026 году.

Первое — команда Луки Тоскани Де Кола из Венского центра квантовой науки и технологий (Австрия): «A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop», DOI: 10.48550/arxiv.2606.04997. Эта группа использовала кристалл с высокой концентрацией тория и применила часы для поиска ультралёгкой тёмной материи.

Второе — команда Бэйчэня Хуана из Университета Цинхуа (Китай): «A nuclear clock based on 229Th», DOI: 10.48550/arxiv.2606.08870. Эта группа использовала более мощный лазер и показала стабильную работу часов с точностью около одной части на 10 триллионов за сутки.

В обоих случаях ядра тория-229 были помещены в кристаллы фторида кальция и исследованы лазером с длиной волны около 148 нанометров.