الساعات الذرية: الحاكم الفعلي للزمن الحديث

خلف الكواليس

في عالم يزدحم بالتكنولوجيا الحديثة، قد لا نظن أن التوقيت الدقيق مهم، لكن خلف تطبيقات "جي بي إس" التي تساعدنا في السفر، وعمليات الملاحة الفضائية، وحتى التجارب الفيزيائية الدقيقة بما في ذلك قياس دوران الأرض، هناك ما يسمى الساعات الذرية، والتي تعد الحاكم الفعلي للزمن بالعصر الحديث.

الإنجاز الكبير

مؤخرًا، حقق علماء من المعهد الوطني للمعايير والتقنية الأميركي (نيست) إنجازًا هائلًا بصناعة أدق ساعة في العالم، وتمتد دقة هذه الساعة إلى 19 منزلة عشرية، أي علامة عشرية ثم 19 صفرا، ثم رقم 1، وهذا رقمٌ يُعدّ قفزة هائلة، تفوق 41% على الرقم القياسي السابق.

ألمنيوم محاصر

وللتوصل إلى تلك الدقة الشديدة، لجأ العلماء إلى توظيف أيون ألمنيوم محاصر إلكترونيًا لتوليد "نظام توقيت" ثابت بدقة فائقة، والأيون هو ذرة فقدت أو اكتسبت إلكترونًا وأصبحت مشحونة كهربائيًا.

لماذا الألمنيوم؟

لأن ذبذبات (اهتزازات) هذا الأيون عالية جدا، تصل إلى التيراهرتز، وهذا يمنح الساعة قدرة على تقسيم الثانية إلى تريليونات الأجزاء بدقة لا تصدق.

مبدأ العمل

وأي ساعة، سواء ميكانيكية أو رقمية، تعتمد على شيء يهتز أو يتكرر بشكل منتظم جدًا لقياس مرور الوقت، فمثلا الساعة الميكانيكية تستخدم البندول أو النابض الذي يتأرجح، وساعة الكوارتز (الرقمية) تعتمد على اهتزاز بلورة كوارتز بتردد ثابت.

الساعات الذرية

أما في حالة الذرات والأيونات، فإن الإلكترونات تنتقل بين مستويات طاقة محددة جدا. وعندما يحدث هذا الانتقال، تنبعث أو تُمتص طاقة على شكل موجة كهرومغناطيسية بتردد محدد وثابت جدًا. ويستخدم العلماء هذا التردد كـ "نبض" الساعة.

مصيدة الأيونات

لكن الأمر لم يمر من دون تحديات، فالألمنيوم صعب التحكم به مباشرة، لذا تم دمجه مع أيون مغنسيوم، والذي يبرد الألمنيوم ويساعد على تسيل قراءة الحالة الكمومية.

تحديات دقيقة

واجهت التجارب تحديات إضافية، فبناء مصيدة الأيونات تسبب في "حركة زائدة" تؤثر على دقة الساعة، ومن ثم حسّن الباحثون تصميم المصيدة.

إعادة تعريف الوقت

تساعد تلك النتائج في إعادة تعريف العلماء للوقت بدقة أكبر، فالميثاق الدولي للوحدات حالياً يستند إلى تردد الموجات الميكروية لسيزيوم 133، لكن الساعات الجديدة تفوقها دقة.

التطبيقات المستقبلية

ويعتمد نظام تحديد المواقع العالمي (جي بي إس) على التوقيت الدقيق جدًا، بل إن الخطأ المقدر بمليار جزء من الثانية قد يؤدي إلى خطأ في تحديد الموقع بنحو 30 سنتيمترا، ومن ثم فإن الساعات فائقة الدقة تقلل هذه الأخطاء وتجعل الطائرات والمركبات ذاتية القيادة أكثر أمانًا ودقة.