لقد نجح العلماء في تطوير الساعة الذرية الأكثر دقة حتى الآن ــ فإذا ما قمنا بتشغيلها لمدة تعادل ضعف عمر الكون الحالي، فلن يتأخر تشغيلها سوى ثانية واحدة. وهذا من شأنه أن يحسن الخدمات مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، كما أنه يساعد العلماء في استكشاف الكيفية التي تعمل بها الجاذبية على تشويه تدفق الوقت عبر مسافات تقل عن المليمتر.
إن ساعة ميكي ماوس الخاصة بك تقيس الوقت بشكل جيد للأغراض اليومية – فكونك في الخارج لمدة ثانية هنا أو هناك لا يهم في الاجتماعات أو الغداء. ولكن بالنسبة للأحداث المعقدة مثل عمليات الإطلاق إلى الفضاء، فإن الفوارق التي تصل إلى أجزاء من الثانية يمكن أن تعني الفرق بين فتح سدادة الشمبانيا في غرفة التحكم وأغلى الانفجارات التي يمكن للبشر إنتاجها.
الساعات الذرية هي الأدوات الدقيقة للغاية التي تمكننا من تحقيق هذه الإنجازات المذهلة. فهي تعمل عن طريق حساب الاهتزازات المتوقعة للغاية لذرات معينة – على سبيل المثال، تدق ذرة السيزيوم 133 بدقة 9,192,631,770 مرة في الثانية، وقد تم استخدام ذلك لتحديد طول الثانية رسميًا منذ ستينيات القرن العشرين. وهي دقيقة إلى حد أنها تصل إلى ثانية واحدة في 300 مليون سنة.
الآن، نجح العلماء في معهد جيلا في تطوير ساعة ذرية أكثر دقة. وهي تستند إلى بعض التطورات التي حققها الفريق على مر السنين. أولاً، لا تستخدم ذرات السيزيوم بل ذرات السترونشيوم بدلاً من ذلك، والتي تدق بمعدل جنوني يبلغ 429 تريليون مرة في الثانية. وبدلاً من قياس هذه الدقات باستخدام الموجات الدقيقة، يستخدم هذا النوع من الساعات الذرية موجات الضوء المرئي، والتي لها تردد أعلى بكثير.
إن عشرات الآلاف من ذرات السترونشيوم محاصرة في نوع من شبكة الليزر، أو “الشبكة البصرية”، التي تحافظ عليها في مكانها أثناء قيامها برقصتها المتوقعة. إن وجود هذا العدد الكبير في مكان واحد يساعد في تعزيز الدقة، حيث لا تنخفض هذه الذرات إلا ثانية واحدة خلال مليارات السنين.
تقوم أشعة الليزر بحبس سحابة من ذرات السترونشيوم داخل “شبكة بصرية” في الساعة الذرية الأكثر دقة في العالم
ك. بالوبيكي/المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا
إن الساعة الذرية الجديدة التي ابتكرها فريق JILA ترفع الدقة إلى مستويات غير مسبوقة باستخدام مصيدة ضوء أضحل وأكثر لطفاً. وهذا يمنع مصدرين للأخطاء التي كثيراً ما تتدخل في الساعات الذرية الشبكية الضوئية ــ التأثيرات الناجمة عن ضوء الليزر واصطدام الذرات ببعضها البعض.
يبدو أن هذا التصميم الجديد دقيق بنسبة 8.1 جزء من كل 10 كوينتيليون (10 تليها 19 صفرًا). بعبارة أخرى، لن تتأخر الساعة إلا بثانية واحدة إذا استمرت لمدة 30 مليار عام – أي أكثر من ضعف عمر الكون الحالي. هذا دقيق للغاية، هذا ما نحاول قوله.
إن هذه الدقة المذهلة يمكن استخدامها لقياس الوقت بشكل أفضل من أي وقت مضى، مما يؤدي إلى تحسين تقنيات مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والاتصالات. ولكنها قد تساعد أيضًا في استكشاف الفيزياء نفسها – بعد كل شيء، يمكن للجاذبية أن تغير معدل مرور الوقت، ويمكن لهذه الأداة قياس هذا الاختلاف عبر مسافات حول سمك شعرة واحدة.
وقال جون يي، أحد مؤلفي الدراسة: “هذه الساعة دقيقة للغاية لدرجة أنها قادرة على اكتشاف التأثيرات الصغيرة التي تنبأت بها نظريات مثل النسبية العامة، حتى على المستوى المجهري. إنها تدفع حدود ما هو ممكن في مجال قياس الوقت”.
وقد تم قبول البحث للنشر في مجلة Physical Review Letters، وهو متاح حاليًا كنسخة أولية على ArXiv.
المصدر: المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا
