قدم علماء من جامعة تورنتو (كندا) ساعة ذرية بصرية فريدة من نوعها يتم تبريدها إلى درجة حرارة خمس درجات فقط فوق الصفر المطلق (−268 درجة مئوية). نتائج البحوث المنشورة في المجلات رسائل المراجعة البدنية و نشرة العلوميعد بتحسينات كبيرة في دقة قياس الوقت مقارنة بالأنظمة الحالية.

طور الفريق ساعة أيونية واحدة مبردة تستخدم ذرة سترونتيوم واحدة لتثبيت الليزر. وهذه الساعات أكثر دقة بمئات المرات من الأجهزة الذرية القياسية المستخدمة اليوم لتحديد مدة الثانية.. وأشار البروفيسور عمار ووتا:

“إن القياسات الدقيقة للوقت والتردد تكمن وراء نظامنا بأكمله من الوحدات الفيزيائية. وزيادة دقة الساعة تقوي الأساس لكل قياس فيزيائي.”

كيف تعمل الشوكة الرنانة الذرية؟

جميع الساعات مبنية على حدث متكرر ومستقر. في ساعات البندول أو الكوارتز، تكون هذه تذبذبات للأنظمة الميكانيكية أو الكهربائية، وفي الأنظمة الذرية تكون هذه عبارة عن انتقالات إلكترونية بين مستويات الطاقة. في الساعات المبردة أحادية الأيون، يتم ضبط “التكتكة” بواسطة ذرة السترونتيوم. يتم تثبيت الليزر بواسطة ذرة تعمل بمثابة دليل شوكة رنانة فائق الدقة.

في السابق، تم استخدام الموجات الدقيقة لهذا الغرض، ثم أشعة الليزر المرئية، وكل خطوة جديدة تزيد من استقرار القياسات. توفر الساعات الضوئية الحديثة دقة تصل إلى 18 منزلة عشرية، وهو ما يعادل قياس المسافة من الأرض إلى القمر بدقة تصل إلى جزء من المليون من المليمتر.

مشكلة التدفئة وحلها

وحتى في هذه الأنظمة الدقيقة، تتعرض الذرات لاضطرابات ناجمة عن حرارة الأجسام المحيطة، بما في ذلك غرف الفراغ والعناصر المعدنية.

وأوضح ووتا أن “الحرارة تدمر استقرار إشارة الشوكة الرنانة الذرية، وتبدأ الساعة في الانحراف”.

قام فريق جامعة تورنتو بخفض درجة حرارة ذرة السترونتيوم المحتجزة إلى 5 كلفن، مما أدى إلى القضاء تقريبًا على التأثير الحراري.

في هذه البيئة المبردة، تظل الذرة مرجعًا دقيقًا ويتم الحفاظ على الليزر في حالة مستقرة، مما يزيد بشكل كبير من موثوقية القياسات.

تطبيق الساعات فائقة الدقة

الساعات الذرية فائقة الدقة مهمة ليس فقط لفيزياء الوقت. تعتمد المعايير الكهربائية مثل الأمبيرات والفولت على قياسات زمنية دقيقة.

وأوضح ووتا: “لتحديد التيار – الأمبيرات – تحتاج إلى قياس عدد الإلكترونات التي تمر عبر الموصل بدقة خلال فترة زمنية معينة”.

بالإضافة إلى ذلك، تفتح هذه الساعات إمكانيات جديدة للعلوم الأساسية. فهي تسمح للمرء باختبار استقرار الثوابت الأساسية للطبيعة، بما في ذلك سرعة الضوء وثابت بلانك.

وأضاف البروفيسور: “ببساطة، لا توجد طريقة أخرى لاختبار القوانين الأساسية للفيزياء بهذه الدقة”.

اختراق في التجارب والتقنيات

وفقًا للعلماء، يمثل تطوير الساعات المبردة أحادية الأيون نقلة نوعية في علم القياس. ويفتح آفاقاً جديدة للملاحة والاتصالات والقياسات العلمية. ويمكن أن تكون هذه التكنولوجيا أيضًا أساسًا للتجارب المستقبلية في الجاذبية وميكانيكا الكم ونظريات اختبار الزمان والمكان.

يؤدي استخدام درجة حرارة التبريد المنخفضة للغاية إلى تقليل الضوضاء وانحراف التردد، مما يجعل هذه الساعة الأداة الأكثر دقة للبشرية لقياس الفترات الزمنية.

يؤكد ووث قائلاً: “هذا ليس مجرد تحسين للساعات القديمة، بل إنه مستوى جديد من فهم الوقت وقياسه الدقيق”.