Новости химической науки > Молекулярные часы проверят фундаментальные законы физики

Каждый хоть раз что-то слышал про атомные часы, но что такое часы молекулярные? Несмотря на то, что такие часы гораздо сложнее изучать, исследователи предлагают использовать молекулы, а не атомы для ультраточных измерений частот, результаты которых позволят проверить точность тех физических законов, которые мы в настоящее время склонны считать элементарными.

Штефан Шиллер (Stephan Schiller) из Университета Дюссельдорфа и его коллеги не предполагают, что молекулярные часы могут оказаться более эффективными для измерения точного времени, чем применяющиеся в настоящее время для решения этой задачи атомные часы, но идею эксперимента, который предполагается ими для молекулярных часов можно назвать интересной. Предполагается, что измерение частоты колебания атомов в молекуле, которое зависит от массы атомных ядер, позволит с особо высокой точностью определить массу протона (точнее говоря, соотношение масс протона и электрона). В то же самое время существующие в настоящее время атомные часы используют частоту перехода электронов с уровня на уровень, которая зависит главным образом от массы электрона.

Когда-нибудь у сверхточных атомных часов появятся молекулярные аналоги. (Фото: © Shutterstock)

Шиллер с коллегами решил выяснить, является ли масса протона постоянной во времени. Исследования, проведенные с цезиевыми атомными часами, которые являются эталоном единицы времен, уже указали границы, в пределах которых масса протона может незначительно меняться, однако молекулярные весы смогут определить эти изменения гораздо точнее.

Исследователи отмечают, что существующие методики и накопленный материал по изучению атомных часов, в которых происходит захват одного или двух атомных ионов электрическим полем, могут быть перенесены на захват молекулярных ионов. Исследователи предполагают, что для молекулярных часов может пригодиться простейший молекулярный ион, H₂⁺, или его дейтерированная версия HD⁺, которые точнее всего обсчитать квантово-химическими методами.

Точность измерения частоты колебания частично определяется тем, что электрическое и магнитное поля, которые применяются для захвата ионов, оказывают на энергии электронов, частота также зависит и от температуры. Тем не менее, Шиллер с коллегами продемонстрировали, что измерения тщательным образом подобранных частот колебаний, влиянием температуры и напряженности полей-ловушек позволяют минимизировать влияние внешних факторов. Было рассчитано, что неопределенность измерений для HD⁺ при соответствующей комбинации частот составляет не более 5x10^–18.

Шиллер поясняет, что проверка постоянства массы протона должно основываться на очень точных измерениях частот для систем H₂⁺ и HD⁺ в отдельных экспериментах, каждый из которых должен проводиться несколько лет подряд. Если в итоге будет обнаружено непостоянство массы протона, это может показать на наши существенные пробелы в наших представлениях о фундаментальной физике, и если такое случится, теоретикам придется разрабатывать новые модели.

Источники: Phys. Rev. Lett., 2014, 113, 023004 (DOI: 10.1103/physrevlett.113.023004)

метки статьи: #квантовая химия, #физическая химия