طور الفيزيائيون ساعة ذرية دقيقة جدًا لدرجة أنها ستنقطع بأقل من ثانية واحدة خلال 14 مليار سنة. هذا النوع من الدقة والدقة يجعلها أكثر من مجرد ساعة. إنها أداة علمية قوية يمكنها قياس موجات الجاذبية ، وقياس شكل الجاذبية الأرضية ، وربما حتى اكتشاف المادة المظلمة.
كيف فعلوا ذلك؟
يقول الفيزيائيون في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا أن ساعتهم الذرية الجديدة تعتمد على عنصر الأرض النادرة ytterbium. يستخدمون شبكة من أشعة الليزر تسمى الشبكة الضوئية لاحتجاز 1000 ذرة من الإيتيربيوم. تعمل الذرات بشكل طبيعي على "القراد" عن طريق التبديل بين مستويين من الطاقة. يسمى هذا الإجراء الانتقال الإلكترون الذري ويستغرق حدوثه نانو ثانية. في كل مرة تقوم بتمييز أو تغيير مستويات الطاقة ، تنبعث الإلكترونات من طاقة الميكروويف ، والتي يمكن اكتشافها. قام علماء فيزياء NIST ببناء اثنتين من ساعات ytterbium هذه ، وبمقارنتها ، حققوا أداءً قياسيًا.
يقاس هذا الأداء القياسي بثلاث طرق:
- عدم اليقين المنهجي: هذا هو مدى تمثيل الساعة للاهتزازات الطبيعية لذرات الإيتيربيوم. تم إيقاف ساعة الإيتيربيوم بمقدار واحد فقط من المليار من المليار.
- الاستقرار: هذا هو مقدار تغير تردد الساعة في وقت محدد. في هذه الحالة ، قاموا بقياس ساعة ytterbium الخاصة بهم وتغيرت فقط 0.00000000000000000032) على مدار اليوم.
- التكاثر: يقيس هذا مدى قرب ساعتين من الإيتيربيوم في نفس التردد. في 10 مقارنات بين زوجي الساعات ، كان الفرق مرة أخرى أقل من مليار من المليار.
وقال أندرو لودلو ، قائد المشروع ، في بيان صحفي: "يمكن اعتبار عدم اليقين المنتظم ، والاستقرار ، وقابلية التكرار" التدفق الملكي "لأداء هذه الساعات". "إن اتفاق الساعتين على هذا المستوى غير المسبوق ، والذي نسميه التكاثر ، ربما يكون أهم نتيجة فردية ، لأنه يتطلب بشكل أساسي النتيجتين الأخريين ويثبتهما."
أظهر لنا أينشتاين أن الوقت يمر بشكل مختلف اعتمادًا على الجاذبية التي تخضع لها أيضًا. تباطأ ذرات الساعة الذرية عند ملاحظتها في الجاذبية الأقوى. على قمة جبل. ايفرست ، على سبيل المثال ، يتحرك الوقت بشكل أسرع من أسفل خندق ماريانا. وذلك لأن قوة الجاذبية تتركز هنا على الأرض في مركز الكوكب. كلما كنت بعيدًا عن المركز ، كلما قلت الجاذبية. التأثير ليس عظيماً ، ربما مليون جزء من الثانية فقط. لكن هناك. يبدو هذا غير بديهي بطريقة أو بأخرى ، ولكن هذا ما أظهره أينشتاين ، وقد تم إثبات صحته.
الشيء الاستثنائي في هذه الساعة الذرية الجديدة هو أنها أثبتت قابليتها للتكرار يعني أن خطأ الساعة أقل من قدرتنا على اكتشاف تأثير الجاذبية في الوقت المناسب هنا على الأرض.
يشرح الفيزيائي NIST أندرو لودلو الأمر على النحو التالي: "... تُظهر قابلية التكرار المُثبتة أن الخطأ الكلي للساعات ينخفض إلى أقل من قدرتنا العامة على حساب تأثير الجاذبية على الوقت هنا على الأرض. وبالتالي ، بينما نتصور استخدام ساعات مثل هذه في جميع أنحاء البلاد أو العالم ، فإن أدائها النسبي سيكون محدودًا ، للمرة الأولى ، بسبب تأثيرات الجاذبية الأرضية ".
يقول الفيزيائيون أنه الآن لدينا ساعة تكون الدقة فيها أكبر من تأثير الجاذبية في الوقت المناسب ، يمكننا استخدام الساعة لقياس شكل الجاذبية الأرضية. الطريقة المعتادة لقياس شكل الجاذبية الأرضية هي قياس المد والجزر. يتم استخدام مقاييس المد والجزر الموضوعة في جميع أنحاء العالم ، ولكن دقتها لا تتجاوز بضعة سنتيمترات. يمكن للساعات الجديدة أن تخفض تلك الدقة إلى أقل من سنتيمتر واحد.
في الواقع ، يمكن استخدام ساعات الإيتيربيوم هذه لقياس أكثر بكثير من شكل الجاذبية الأرضية. يمكن استخدامها لقياس الزمكان نفسه ، ولاكتشاف موجات الجاذبية من الكون المبكر. من الممكن أن يتمكنوا حتى من قياس المادة المظلمة. على هذا المستوى من الدقة والدقة ، هذه الأداة هي أكثر بكثير من مجرد ساعة.
ليس فقط الجاذبية التي يمكن أن تؤثر على ساعة مثل ساعة الإيتيربيوم. يمكن أن تؤثر التأثيرات البيئية الأخرى على دقة الجهاز. يجب أن تبقى باردة وأن تكون معزولة عن أي مجالات كهربائية طائشة. الساعات الجديدة محمية من التأثيرات الكهربائية والحرارية بحيث يمكن حسابها وتصحيحها.
مع التحسينات مثل التدريع الكهربائي والحراري ، يقوم الفيزيائيون ببناء ساعات محمولة من الإيتربيوم يمكن نقلها إلى مختبرات مختلفة لقياس ومقارنة الساعات الأخرى. يمكن أيضًا نقلها إلى مواقع أخرى لدراسة تقنيات الجيوديسيا النسبية. قد يكون هذا بمثابة تغيير في اللعبة ، لأن أفضل ساعاتنا الذرية حاليًا بحجم غرفة ما يسمى بـ "ساعات النافورة" التي تستخدم ذرة السيزيوم لتحديد الثانية.
ولكن قد يكون كل هذا على وشك التغيير مع الساعات الجديدة.
تعتمد الساعات الذرية السابقة على عنصر السيزيوم ، الذي يوفر حتى الآن التوقيت الأكثر دقة المتاح. تم استخدام اهتزاز ذرة السيزيوم منذ الستينيات لتحديد مدة ثانية واحدة في النظام الدولي للوحدات (ISU). ولكن مع تطور ساعة الإيتيربيوم ، قد يكون وقت الكالسيوم قد انتهى.
تم بناء أول ساعة سيزيوم في عام 1955 ، ومنذ ذلك الحين أصبحت المعيار الذهبي. التعريف الرسمي للثاني ، إذا كنت مهتمًا ، قيد الاستخدام منذ عام 1967. وهو يقول: "والثاني هو مدة 9 192 631 770 فترات من الإشعاع المقابلة للانتقال بين مستويين فائق الدقة للأرض حالة السيزيوم 133 ذرة ". ثم في عام 1997 أوضحوا أنه يعني أن السيزيوم يجب أن يكون عند 0 كلفن.
تم بناء ساعات ذرية أخرى باستخدام الروبيديوم ، والتي يمكن جعلها محمولة. إنها ليست دقيقة مثل السيزيوم ، ولكنها جيدة بما يكفي لتطبيقات مثل GPS ومحطات قاعدة الهاتف المحمول والتحكم في تردد محطات التلفزيون. ولكن مع تطور الساعة الذرية الجديدة باستخدام ذرة الإيتيربيوم ، قد يكون لدينا أفضل ما في العالمين: الدقة العلمية غير المسبوقة وقابلية النقل.
تعد الساعة الذرية الجديدة ytterbium مرشحًا رائدًا لإعادة تعريف تعريف لينغ ثانية واحدة. وذلك لأنه يفي بعتبة الدقة التي حددها النظام الدولي للوحدات. وقالت تلك الهيئة إن أي تعريف جديد سيتطلب تحسينًا بمقدار 100 ضعف في دقة التحقق من صحة ساعات السيزيوم المستخدمة حاليًا لتعريف الثانية.
اعتدنا على تحديد الوقت من خلال دوران الأرض ، ولكننا قطعنا شوطا طويلا منذ ذلك الحين. إن الساعة الذرية التي تستخدم معدل التجزئة لعنصر الأرض النادرة لقياس شكل الجاذبية للأرض ، وموجات الجاذبية من الكون المبكر ، وربما حتى المادة المظلمة هي شيء لم يكن بالإمكان تصويره على الإطلاق عندما تمسك عصا في الأرض لإجراء قرص الشمس.
- بيان صحفي: ساعات NIST الذرية تحافظ على الوقت الكافي لتحسين نماذج الأرض
- ورقة بحثية: أداء الساعة الذرية يتجاوز الحد الجيوديسي
- معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أخبار: ضبط الوقت الذري ، أثناء التنقل
- ويكيبيديا: الساعة الذرية
- ويكيبيديا: معيار السيزيوم
- ويكيبيديا: الانتقال الإلكترون الذري
