الملخص:
أعلن باحثون في مركز تكنولوجيا الكم التابع لجامعة سنغافورة الوطنية مؤخرًا عن تقدم مهم في مجال الساعات الذرية. استخدموا العنصر الأرضي النادر اللوتيتيوم لإنشاء نوع جديد من الساعة الذرية البصرية، ومن خلال المقارنة الدقيقة بين ساعتين ذريتين من نفس النوع، تم تقليل عدم اليقين في النظام إلى 1.2×10⁻¹⁹. ويرى فريق البحث أن هذه النتيجة تجعل ساعة اللوتيتيوم الذرية واحدة من أكثر أجهزة قياس الوقت المتاحة حاليا دقة، ومن المتوقع أن تصبح تكنولوجيا مرشحة لإعادة تعريف "الثانية" في النظام الدولي للوحدات في المستقبل.
تأتي هذه الدراسة في الوقت الذي يدرس فيه مجتمع القياس العالمي ما إذا كان التعريف الأساسي لكلمة "الثانية" يحتاج إلى إعادة تعريف. يتم تعريف ثانية واحدة في النظام الدولي للوحدات الحالي على أساس تردد الانتقال بين مستويي الطاقة فائق الدقة للحالة الأرضية لذرة السيزيوم 133، وهو 9192631770 انتقالات موجات صغرية محددة. كان السيزيوم هو المادة الأساسية للساعات الذرية منذ الستينيات، ولكن مع التطور السريع لتكنولوجيا الساعة الذرية البصرية، تمكن الجيل التالي من الساعات الذرية المصنوعة باستخدام عناصر مثل السترونتيوم والإيتربيوم والكالسيوم من تحقيق دقة أعلى بكثير من الساعات الذرية السيزيوم التقليدية.
المبدأ الأساسي للساعات الذرية الضوئية هو استخدام الليزر للتحكم بدقة في الإلكترونات في الذرات، مما يتسبب في انتقال الإلكترونات بين حالتين كميتين، وقياس التوقيت عن طريق قياس تردد هذا التحول. يمكن فهم التحول الكمي للإلكترونات على أنه "بندول" مستقر للغاية. وطالما يمكن التحكم في هذا التأرجح وقياسه بدقة كافية، فيمكن الحصول على قاعدة زمنية دقيقة بشكل استثنائي.
يحظى اللوتيتيوم باهتمام الباحثين لأن العنصر يتمتع ببعض الخصائص التي تجعله مثاليًا لبناء ساعات ذرية عالية الدقة. اللوتيتيوم هو عنصر اللانثانيد ذو كتلة ذرية كبيرة وتركيبه الإلكتروني يجعله أقل تأثراً نسبياً بالعوامل البيئية. على وجه الخصوص، فهو ليس حساسًا للإشعاع الحراري وتغيرات المجال المغناطيسي، لذلك يمكنه تقليل الأخطاء المنهجية التي تسببها العوامل البيئية في عملية التوقيت.
وقال الباحثون إن هذه الخاصية التي تتميز بها الساعة الذرية اللوتيتيوم تعني أنه حتى لو تغيرت درجة الحرارة المحيطة بشكل كبير أو تغيرت ظروف المجال المغناطيسي، فإن الساعة الذرية لا تزال قادرة على الحفاظ على أداء توقيت مستقر نسبيا. وقال موراي باريت، قائد فريق البحث وعالم الفيزياء في جامعة سنغافورة الوطنية، إنه إذا تم نقل هذه الساعة الذرية من بيئة ذات درجة حرارة عالية للغاية مثل وادي الموت في الولايات المتحدة إلى بيئة ذات درجة حرارة منخفضة للغاية مثل هضبة القطب الجنوبي، فلا يزال بإمكانها الحفاظ على استقرار عالٍ جدًا.
يتمتع اللوتيتيوم أيضًا بميزة مهمة جدًا، وهي أن تردد الانتقال الذري المرتبط به مرتفع جدًا، حوالي 10000 ضعف التردد الذي تستخدمه ساعات السيزيوم الذرية. ويعني التردد الأعلى أنه يمكن الحصول على المزيد من دورات القياس لكل وحدة زمنية، وبالتالي توفير الأساس لقياس الوقت بدقة عالية للغاية.
ومع ذلك، يعد اللوتيتيوم أيضًا أحد أندر العناصر الأرضية النادرة على الأرض، كما أنه عنصر لم تتم دراسته بشكل جيد نسبيًا. وهذا يعني أنه على الرغم من أنه من الناحية النظرية مناسب تمامًا كمادة للساعة الذرية، إلا أن العلماء لم يفهموا تمامًا كيف تتصرف ذرات اللوتيتيوم فعليًا في بيئة ضبط الوقت عالية الدقة.
يعمل فريق موراي باريت على ساعات اللوتيتيوم الذرية منذ حوالي 10 سنوات. وفي التجربة الأخيرة، قام الباحثون ببناء ساعتين ذريتين من أيونات اللوتيتيوم ومقارنتهما مع بعضهما البعض وفقا لمعايير مترولوجية صارمة. ومن خلال سنوات من البيانات التجريبية المتراكمة والأبحاث المتعمقة حول خصائص أيونات اللوتيتيوم نفسها، تمكن الفريق أخيرًا من تقليل عدم اليقين في النظام إلى 1.2×10⁻¹⁹.
يمثل هذا الرقم مقياس الخطأ المنهجي الذي قد تحدثه الساعة الذرية عند قياس ترددها. لفهم مدى ارتفاع هذه الدقة، فكر في الأمر على أنه جزء صغير من عدم اليقين لكل 10¹⁹ وحدة من الزمن. في السابق، استخدم باحثون من الأكاديمية الصينية للعلوم الساعات الذرية لأيون الكالسيوم هذا العام لتحقيق عدم يقين في النظام قدره 4.4×10⁻¹⁹، لذا فإن 1.2×10⁻¹⁹ التي أعلن عنها الفريق السنغافوري أدت إلى تحديث هذا المؤشر بشكل أكبر.
ومع ذلك، فإن قياس دقة الساعات الذرية يعد أيضًا مهمة صعبة للغاية. وبعد الوصول إلى هذا المستوى، لم يعد من الممكن تجاهل الاختلافات في جاذبية الأرض. وفقا للنظرية النسبية العامة، كلما كانت قوة الجاذبية أقوى، كان مرور الوقت أبطأ. عند هذا المستوى من الدقة، حتى فرق الارتفاع بمقدار بضعة ملليمترات فقط بين ساعتين ذريتين يمكن أن ينتج فرقًا زمنيًا كبيرًا بما يكفي للتأثير على النتائج التجريبية بسبب اختلاف مسافاتهما عن قلب الأرض.
بعبارة أخرى، عندما يقوم العلماء بتقطيع ثانية واحدة إلى تريليونات أو أكثر من شرائح زمنية صغيرة للغاية، فإن اختلافات الجاذبية الضعيفة للغاية بين المواقع المختلفة على سطح الأرض قد تصبح متغيرات مهمة في التجربة. ولذلك، فإن مختبر الساعة الذرية لا يحتاج فقط إلى التحكم في الظروف مثل درجة الحرارة والمجال المغناطيسي والليزر وما إلى ذلك، ولكن يجب أيضًا قياس موضع الساعتين وارتفاعهما بدقة شديدة.
وهذه الحساسية المذهلة هي على وجه التحديد إحدى أهم القيم العلمية للجيل القادم من الساعات الذرية. ولأن الوقت يتأثر بمجالات الجاذبية، فإذا كانت الساعات الذرية دقيقة بما فيه الكفاية، فيمكن للعلماء قياس الاختلافات الصغيرة للغاية في الجاذبية من خلال مقارنة التغيرات في الوقت في مواقع مختلفة. ويمكن استخدام هذه القدرة في المستقبل لإجراء قياسات دقيقة للأرض، مثل دراسة الهياكل تحت الأرض، والتغيرات الجيولوجية، والتغيرات الدقيقة في مجال الجاذبية الأرضية.
والأهم من ذلك، أنه يمكن أيضًا استخدام الساعات الذرية عالية الدقة في أبحاث الفيزياء الأساسية. ويأمل العلماء في استخدام هذه الأجهزة للبحث عن التناقضات التي لم يتم حلها بين النسبية العامة وميكانيكا الكم واستكشاف فيزياء جديدة تتجاوز النموذج القياسي. على سبيل المثال، إذا كانت بعض المعلمات التي يُعتقد أنها ثوابت أساسية في الطبيعة تتغير فعليًا بشكل طفيف جدًا بمرور الوقت أو البيئة، فقد تتمكن الساعة الذرية الدقيقة بدرجة كافية من التقاط هذا الشذوذ.
وفي الوقت نفسه، تعمل الساعات الذرية الضوئية الجديدة أيضًا على تعزيز التغييرات في نظام القياس الدولي. نظرًا لأن الساعات الذرية المختلفة مثل السترونتيوم والإيتربيوم وأيونات الألومنيوم وأيونات الكالسيوم واللوتيتيوم تستمر في تسجيل سجلات الدقة، يدرس المجتمع العلمي الدولي ما إذا كان التعريف الحالي لـ "الثانية" استنادًا إلى انتقال الموجات الميكروية لذرات السيزيوم يجب استبداله بمعايير التردد البصري في المستقبل.
بالمقارنة مع الساعات الذرية السيزيوم التقليدية، فإن تردد تشغيل الساعات الذرية البصرية أعلى بعدة مراتب من حيث الحجم، لذلك من الناحية النظرية يمكن أن يوفر مرجعًا زمنيًا أكثر دقة. إذا قرر مجتمع المقاييس الدولي إعادة تعريف "الثانية" في المستقبل، فإن هذه الساعات الذرية الضوئية ستصبح تقنيات مرشحة مهمة.
يعتقد الفريق السنغافوري أن الساعة الذرية اللوتيتيوم لديها إمكانات خاصة لأنها لا تستطيع تحقيق دقة عالية للغاية فحسب، ولكنها أيضًا أقل حساسية نسبيًا للتغيرات في البيئة الخارجية، مما يعني أنه من الممكن إنشاء نظام توقيت عالي الدقة أكثر استقرارًا وعمليًا في المستقبل.
وبالطبع، فإن 1.2×10⁻¹⁹ لا يزال يمثل عدم يقين النظام الذي تم الحصول عليه في ظروف المختبر، وهذا لا يعني أن هذه الساعة الذرية يمكنها الحفاظ على نفس الأداء تمامًا في أي بيئة. يحتاج الباحثون أيضًا إلى إجراء المزيد من القياسات والتحقق المتبادل في ظل ظروف مختلفة لتأكيد هذا السجل بشكل أكبر والاستمرار في تقليل الأخطاء المنهجية المحتملة.
يعتقد فريق البحث أنه مع استمرار التجربة، هناك مجال لمزيد من التحسين في دقة ساعة اللوتيتيوم الذرية. ويعتقد قائد الفريق موراي باريت أنه انطلاقًا من المسار الفني الحالي، سيكون من الصعب إيجاد حل يمكنه تجاوز هذه البنية بسهولة في المستقبل.
تم نشر هذا البحث في مجلة الطبيعة. إذا تمكنت التجارب اللاحقة من التحقق بشكل أكبر من أداء ساعة اللوتيتيوم الذرية، فقد لا تصبح مرشحًا مهمًا للجيل القادم من معايير التوقيت العالمية فحسب، بل قد تصبح أيضًا أداة جديدة لدراسة الجاذبية والمادة المظلمة والقوانين الفيزيائية الأساسية. بمعنى آخر، هذا الجهاز الذي يبدو أنه مجرد "حفظ الوقت بدقة أكبر" يدفع في الواقع قدرة البشرية على قياس القوانين الأساسية للكون إلى نطاق غير مسبوق.
التعليقات