ساعة ذرية جديدة لا تقيس الوقت فحسب!

حقَّقت الساعاتُ الذرية التجريبية في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا NIST ثلاثة أرقام جديدة على صعيد الأداء، إذ إنَّها تعملُ الآن بدقة كافية ليس لقياس الوقت والملاحة فقط، بل يمكنها تحديد الإشارات الباهتة من الجاذبية والكون المبكر أو رصدها أيضًا، ومن الممكن جدًّا أن تحدد وترصد المادة المظلمة.

تحوي كلُّ واحدة من تلك الساعات آلافَ الذرات من عنصر (ytterbium) في مشابك بصرية وشبكات مصنوعة من أشعة الليزر، وتتذبذب الذرات عن طريق الاهتزاز أو التبديل بين مستويين من الطاقة. وقد حقق الفيزيائيون في NIST بمقارنة ساعتين مستقلتين أداءً قياسيًا على ثلاثة محاور في القياس: الشك أو عدم اليقين المنهجي، الاستقرار، وأخيرًا قابلية الاستنساخ أو إعادة الإنتاج. 

وفيما يأتي نتائج الساعات المطوَّرة كما جاءت في Journal Nature:

·   عدم اليقين المنهجي: يمثل مدى قدرة الساعة في الاهتزازات الطبيعية أو التردد للذرات. إذ وجد باحثو المعهد أنَّ كل ساعة دقَّت بمعدل مطابق للتردد الطبيعي بنسبةِ خطأ محتمل يبلغ 1.4 جزءًا من 10¹⁸ (أي قرابة جزء من مليار من المليار).

·   الاستقرار: ويظهر مدى تغير مقدار تردد الساعة في فترة زمنية محددة، ويُقاس إلى مستوى 3.2 جزءًا من 10¹⁹ (أو 0.00000000000000000032) في يوم واحد.

·   قابلية إعادة الإنتاج: تُظهِر مدى تقارب عمل عقارب الساعة عند التردد نفسه، عن طريق 10 مقارنات لزوج الساعات، مما ينتج عنه فرق تردد أقل من المستوى 10^-18(مرة أُخرى أقل من جزء من مليار من المليار).

وقال مدير المشروع أندرو لودلو: "يمكن عدّ عدم اليقين المنهجي والاستقرار والقابلية على إعادة الإنتاج بمثابة "الأداء الملكي" لهذه الساعات. وربَّما كان التوافق بين الساعتين على هذا النحو غير المسبوق -الذي نطلق عليه قابلية إعادة الإنتاج- أهمَّ نتيجة فردية، لأنه يطلب أساسًا ويدلل على النتيجتين الأُخريين."

ويكمل لولدو: "هذا صحيح لأن القابلية الواضحة لإعادة الإنتاج أظهرت أن الخطأ الإجمالي للساعة ينخفض ​​عن قدرتنا العامة لحساب تأثير الجاذبية في الوقت الحالي على الأرض، ومن ثم عندما نتصور استخدام ساعات مثل هذه في جميع أنحاء البلاد أو العالم؛ فإنَّ أداءها النسبي سيكون أول مرة محدودًا بتأثيرات جاذبية الأرض".

وتتنبأ نظرية أينشتاين النسبية الخاصة بأنَّ زيادة قوة الجاذبية ستبطئ من تردد اهتزازات الذرات، مما يعني مرور الوقت ببطء عند الارتفاعات المنخفضة، في حين أنَّ ذلك سيقلل من دقة قياس الوقت على مدار الساعة، فإن هذه الحساسية نفسها يمكن استغلالها لقياس الجاذبية قياسًا رائعًا. لذلك يمكن للساعات الفائقة الحساسية أن تحدد خريطة تشويه الجاذبية للزمكان بدقة أكثر من أي وقت مضى. وتشمل التطبيقات الجيوديسيا النسبية، التي تقيس شكل جاذبية الأرض، وتكشف الإشارات من الكون المبكر؛ مثل موجات الجاذبية وقد تكشف المادة المظلمة غير المفسرة حتى الآن.

وتتخطى ساعات اليوتبريوم الآن القدرة التقليدية لقياس شكل الأرض على أساس مسوحات المد والجزر لمستوى سطح البحر، فوجود هذه الساعة العالية الدقة قد يسمح بتحسين كفاءة القياسات الجيوديسية لتقليل مُعامِل الخطأ إلى 1 سنتيمتر، وهذا أفضل من التقنيات الحالية بعدة سنتيمترات.

ويقول الباحثون بأن تلك الورقة البحثية تُظهر قابلية إعادة الإنتاج على مستوى عالٍ، وتتفوق على الأرقام التي سجلتها الساعات الأخرى في العقد الماضي. وإضافة إلى ذلك فإنَّ مقارنة زوج من الساعات هي الطريقة التقليدية لتقييم الأداء، وهو ما يميز تلك الورقة البحثية أيضًا.

ومن بين التحسينات التي أُدخِلت على أحدث ساعات الإيتربيوم النووية هي إدراج الحماية الحرارية والكهربائية، التي تحيط بالذرات لحمايتها من الحقول الكهربائية الضالة وتمكين الباحثين من تحديد خصائص التردد الناتجة عن الإشعاع الحراري وتصحيح تحوّلاته بطريقةٍ أفضل.

تُعدُّ ذرة الإيتربيوم من المرشحين المحتملين لإعادة التعريف المستقبلي لمفهوم الثانية -الوحدة الدولية للوقت- دالَّةً في الترددات البصرية. وتلتقي سجلات ساعة NIST الجديدة بواحدة من متطلبات خارطة الطريق الدولية لإعادة التعريف، وهو تحسن يبلغ 100 ضعف في الدقة عن أفضل الساعات استنادًا إلى المعيار الحالي-ذرة السيزيوم، التي تهتز عند ترددات الميكروويف المنخفضة.

وتبني NIST ساعة محمولة على نظام "ytterbium" بأداء متطور، يمكن نقلها إلى مختبرات أخرى في أنحاء العالم لمقارنة الساعة، وإلى مواقع أخرى لاستكشاف تقنيات الجيوديسية النسبية.

المصدر:

1- هنا