7 октября 2026 года в журнале Nature вышли сразу две статьи о том, чего физики ждали почти полвека. Команды из Венского технического университета (вместе с немецким институтом метрологии PTB) и из пекинского университета Цинхуа независимо построили первые работающие ядерные часы. Их ход задают не атомы, как в лучших современных часах, а атомные ядра тория-229. Венский прототип умеет сам удерживать точность и больше суток проработал без участия людей.
Что вообще «тикает» в часах
Любые часы — это что-то, что колеблется очень ровно, и счётчик этих колебаний. В старинных часах это маятник. В наручных кварцевых — кристаллик кварца, который дрожит 32 768 раз в секунду. В атомных часах «маятник» — электроны в атомах: они переходят между уровнями энергии и поглощают свет строго определённой частоты. По атомам цезия с 1967 года определяют саму секунду, а атомные часы работают в каждом спутнике навигации.
Ядерные часы идут на следующий шаг. Здесь колебания задаёт не электронная оболочка атома, а его ядро. Ядро в десятки тысяч раз меньше атома и спрятано за электронами. Поэтому внешние помехи — электрические и магнитные поля, соседние атомы — действуют на него гораздо слабее. В теории это открывает путь к часам точнее нынешних.
Почему именно торий
Обычно переходы в ядрах требуют огромной энергии, и никакой лазер их не «раскачает». Ядро тория-229 — редчайшее исключение: у него есть переход с очень маленькой энергией, на который хватает ультрафиолетового лазера. Физики знали об этом давно, но десятилетиями не могли точно найти нужную частоту. Это удалось только в 2024 году, и одной из первых была как раз группа Торстена Шумма из Вены. Тогда же стало ясно, что торий можно встроить в прозрачный кристалл фторида кальция, и в одном таком кристалле окажется огромное количество ядер.
Но найти частоту — ещё не построить часы. Нужно, чтобы лазер постоянно держался именно на ней.
Часы, которые следят за собой сами
В венских часах так и сделано. Ядра тория поглощают лазерный свет, только когда его частота точно совпадает с их собственной. Если лазер начинает «уплывать», поглощение падает. Система это замечает и сама подстраивает лазер обратно. Получается замкнутая петля: ядра держат лазер, а лазер служит стрелкой часов. Немецкие коллеги из PTB построили для этого гораздо более точный и компактный лазер.
Прототип стабильно проработал больше 24 часов без вмешательства. Его точность — около 10⁻¹⁵. В пересчёте это означает, что часы ошиблись бы примерно на секунду за 30 миллионов лет. Конечно, никто не проверял их миллионы лет: это оценка по результатам измерений.
А что в Пекине
Команда из университета Цинхуа тоже использовала ядра тория-229 в кристаллах фторида кальция, причём кристаллы были меньше рисового зерна. Китайские физики сделали более мощный лазер и сравнили два независимо изготовленных кристалла. Частоты совпали с точностью примерно до трёх десятитриллионных. Это важно: значит, ядерные часы можно воспроизвести, а не только собрать в единственном удачном экземпляре.
Пока не рекордсмены
Важно не преувеличивать. Лучшие оптические атомные часы сегодня примерно в десять тысяч раз точнее: их погрешность доходит примерно до 10⁻¹⁹. Как подчёркивает сам Торстен Шумм, ядерные часы до этого уровня пока не дотягивают. По сообщениям, в венской установке показания немного зависели от того, как луч проходит через кристалл.
Зато у ядерных часов есть большие преимущества на будущее. Они могут быть компактными и твёрдотельными, без сложных ловушек для отдельных атомов. А ещё ядро тория очень чувствительно к возможным изменениям фундаментальных констант природы. Если такие изменения существуют, ядерные часы могут заметить их раньше всех. Исследователи рассчитывают улучшить точность с помощью более мощных лазеров и более качественных кристаллов. Как когда-то у атомных часов, путь от первого прототипа до рекорда может занять годы.
Источники
Наука ближе, когда обсуждаем вместе.
Новые материалы, вопросы и подборки — в нашем Telegram.
