طور العلماء واحدة من أكثر الساعات الذرية دقة على الإطلاق، ويخططون لاستخدامها كساعة مرجعية تحديد الوقت نفسها.

استنادًا إلى صعود وهبوط ذرات السيزيوم تحت شعاع الميكروويف، فإن الساعة الذرية NIST-F4 موثوقة للغاية لدرجة أنها لو بدأت في العمل عندما كانت الديناصورات موجودة قبل 100 مليون سنة، لكانت تتأخر بأقل من ثانية اليوم، وفقًا لمبتكريها.

نشر صانعو الساعات، وهم علماء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في بولدر، كولورادو، تفاصيل عمل NIST-F4 في 15 أبريل في المجلة. علم القياس. اعتبارًا من أبريل 2025، الساعة الجديدة في انتظار الموافقة قبل أن تنضم إلى ما يقرب من 450 ساعة أخرى في جميع أنحاء العالم في تحديد التوقيت العالمي المنسق (UTC)، وهو النظام العالمي لقياس نبضة الثانية فائقة الدقة.

يتم استخدام إشارات الوقت “حرفيًا مليارات المرات يوميًا في كل شيء بدءًا من ضبط الساعات والساعات وحتى ضمان ختم الوقت الدقيق لمئات المليارات من الدولارات من المعاملات المالية الإلكترونية”. ليز دونلي، رئيس قسم الوقت والتردد في NIST، قال في بيان. (لا يُنسب إلى دونلي باعتباره أحد مؤلفي الورقة الجديدة).

إن الحاجة المتزايدة إلى ضبط الوقت بشكل أكثر دقة تعني أن العلماء يعملون دائمًا على تطوير ساعات مرجعية أفضل، تلك التي تحدد الوقت الذي يحدده الآخرون. وعلى عكس نظيراتها اليومية، فإن هذه الأجهزة المرجعية هي ساعات ذرية، تستمد دقاتها من اهتزازات الذرات.

متعلق ب: “الحلم أصبح حقيقة”: اختراق الساعة النووية يمكن أن يحدث ثورة في دراسة القوى الأساسية للكون

NIST-F4 هو نوع من الساعات الذرية المعروفة باسم ساعة النافورة، تحتوي على سحابة من آلاف ذرات السيزيوم المبردة إلى بالقرب من الصفر المطلق باستخدام الليزر. يتم بعد ذلك دفع الذرات إلى أعلى تحت تأثير زوج من أشعة الليزر، ثم تقع تحت ثقلها أثناء مرورها عبر شعاع الموجات الدقيقة المضبوط لجعل الذرات تتأرجح.

إن إحصاء هذا التردد (الذي يحدث 9,192,631,770 مرة كل ثانية) يمكّن العلماء من تحديد الثانية الدولية بدقة.

ولكن هذا هو الجزء البسيط نسبيا. ولضمان موثوقية NIST-F4، كان على العلماء أن يأخذوا في الاعتبار كل مصدر للضوضاء الضئيلة التي يمكن أن تؤثر على اهتزازات ذرات السيزيوم. وتشمل هذه التداخل الكمي مع الذرات الأخرى؛ تسرب الموجات الدقيقة وتأثيرات العدسات؛ والتشوهات الدقيقة في المجالات الكهرومغناطيسية الناتجة عن الليزر.

بدأ الفريق في إجراء هذه التعديلات في عام 2020، بعد أربع سنوات من إخراج أول ساعة نافورة للوكالة، NIST-F1، من الخدمة لترميمها. وشمل هذا العمل إعادة بناء تجويف الميكروويف الموجود في قلب الساعة من الصفر.

“إن تقييم ساعة نافورة مثل NIST-F4 هو عملية بطيئة،” مؤلف الدراسة الأول فلاديسلاف جيرجينوفوقال عالم الفيزياء في NIST الذي عمل على التصميم الجديد في البيان. “علينا أن نكون محافظين للغاية. يجب أن نعرف كل شيء عنها.”

والنتيجة هي ساعة يبلغ إجمالي عدم اليقين المنهجي فيها 2.2×10⁻¹⁶، وهي دقة تعني أنها تفقد أقل من ثانية كل 140 مليون سنة. هذا التأخير الدقيق للغاية هو نتاج الضوضاء الناتجة عن العشوائية المتأصلة القياسات الكموميةوهو عامل يقول العلماء إنه يمكن تقليله باستخدام مذبذبات أفضل وتبريد ليزر محسّن.

سيتم تحديد NIST-F4 جنبًا إلى جنب مع الساعة السابقة NIST-F3. ستعمل الساعة الأحدث حوالي 90% من الوقت، وستعمل ساعة واحدة على الأقل في أي وقت محدد. سيتم إرسال البيانات من كليهما بشكل دوري إلى BIPM لمعايرة التوقيت العالمي المنسق (UTC)، والحفاظ على إيقاع العالم.