Фізики вперше створили ядерний годинник

Це давня мрія фізиків: про ядерні годинники говорили десятиліттями, але побудувати їх ніяк не вдавалося. Тепер це вдалося — і одразу в двох лабораторіях, різними шляхами.

Важливе застереження: обидві роботи поки що опубліковані у вигляді препринтів — тобто наукових статей, які ще не пройшли незалежну перевірку інших вчених. Це серйозний крок, але робити остаточні висновки зарано.

Деталі

Щоб зрозуміти, у чому полягає прорив, потрібно згадати, як взагалі працюють точні годинники. Будь-які годинники щось рахують: маятник, коливання кварцу, секундну стрілку. Чим стабільніше те, що ми рахуємо, тим точніші годинники.

Найточніший годинник на сьогодні — атомний. Він рахує коливання електронів, які «перестрибують» між рівнями енергії в атомі. Ці коливання неймовірно стабільні, тому атомний годинник помиляється на одну секунду за мільярди років.

Ядерні годинники влаштовані схоже, але рахують вони не електрони, а зміни всередині самого ядра атома — там, де знаходяться протони та нейтрони. І в цьому головна перевага: ядро заховане глибоко всередині атома і набагато краще захищене від зовнішніх перешкод — випадкових електричних і магнітних полів. А значить, і годинник на його основі може бути ще точнішим і надійнішим за атомний.

Проблема полягала в тому, що майже жодне ядро для цього не підходить. З усієї таблиці Менделєєва підходить лише один елемент — торій-229. У його ядра «енергетичний стрибок» виявився рівно такого розміру, щоб його можна було запустити і виміряти за допомогою лазера. Але й тут була складність: потрібен особливий лазер, що працює в так званому вакуумному ультрафіолеті — це випромінювання, яке дуже важко отримати і яким важко керувати.

Обидві команди вирішили задачу однаково: вони «вживили» ядра торію в кристали фториду кальцію і направили на них точно налаштований лазер. Далі підходи розійшлися. Китайська група з Університету Цінхуа використовувала більш потужний лазер. Європейська група з Віденського центру квантової науки та технологій взяла кристал з більшою концентрацією торію.

Перевіряли результат теж по-різному. Китайці показали, що їхній пристрій стабільно «утримує» частоту лазера, прив'язавши її до ядра з приголомшливою точністю — відхилення склало приблизно одну частину на 10 трильйонів за добу роботи. А австрійці відразу застосували свій годинник для пошуку темної матерії — загадкової субстанції, з якої, як вважається, складається більша частина маси Всесвіту. Ознак темної матерії вони не знайшли, але чутливість приладу виявилася не гіршою, а місцями й кращою, ніж у найкращих атомних годинників.

Чому це важливо

Ядерний годинник — це не просто «годинник, що працює точніше». Це новий інструмент для вивчення найглибших загадок фізики.

Наприклад, за їх допомогою можна перевірити, чи дійсно постійні фундаментальні константи — ті базові величини, на яких тримаються закони природи. Якщо ці константи хоч трохи змінюються з часом, надточні годинники здатні це помітити.

А якщо технологію вдасться зменшити до компактних розмірів, ядерні годинники можуть знайти застосування в системах навігації, у приладах, що вимірюють гравітацію, та в експериментах, які сьогодні просто недоступні для існуючого обладнання.

При цьому варто повторити: це лише початок. Годинник працює в лабораторії, пройшов перші перевірки — але попереду ще рецензування, доопрацювання та мініатюризація.

Контекст

Вимірювання часу — одна з найточніших галузей науки, і вона безпосередньо впливає на повсякденне життя. Від точності годинника залежить, наприклад, робота супутникової навігації на кшталт GPS: похибка всього в наносекунди перетворюється на метри похибки на землі.

Ідея ядерного годинника з'явилася давно, але перетворити її на діючий пристрій заважала саме технічна складність із лазером потрібного типу. Прорив став можливим після того, як в останні роки фізики навчилися точно «потрапляти» лазером у ядро торію-229. Нинішні роботи — наступний логічний крок: від того, щоб просто «побачити» ядерний перехід, до того, щоб побудувати на його основі реальний годинник.

Те, що результат незалежно отримали відразу дві команди різними методами, є особливо важливим. У науці саме відтворюваність — коли інші дослідники приходять до того ж висновку — слугує головною ознакою надійності.

Джерело

Робота базується на двох незалежних дослідженнях, опублікованих у вигляді препринтів на arXiv у 2026 році.

Перше — команда Луки Тоскані Де Кола з Віденського центру квантової науки та технологій (Австрія): «A thorium-229 optical nuclear clock with feedback loop», DOI: 10.48550/arxiv.2606.04997. Ця група використовувала кристал із високою концентрацією торію та застосувала годинник для пошуку ультралегкої темної матерії.

Друге — команда Бейченя Хуана з Університету Цінхуа (Китай): «A nuclear clock based on 229Th», DOI: 10.48550/arxiv.2606.08870. Ця група використовувала більш потужний лазер і продемонструвала стабільну роботу годинника з точністю близько однієї частини на 10 трильйонів за добу.

В обох випадках ядра торію-229 були поміщені в кристали фториду кальцію і досліджені лазером з довжиною хвилі близько 148 нанометрів.