دانشمندان دقیق‌ترین ساعت اتمی جهان را ساختند؛ خطای آن تقریباً غیرقابل تصور است

ساعت اتمی جدید، استاندارد تازه‌ای برای دقت زمانی تعیین کرد.

دقت ساعت مچی یا تلفن همراه برای استفاده روزمره کافی به نظر می‌رسد، اما دانشمندان به سطح بسیار بالاتری از دقت نیاز دارند. آن‌ها برای اندازه‌گیری زمان با بیشترین دقت ممکن، از ساعت‌های اتمی استفاده می‌کنند.

این ساعت‌ها بر اساس تپش امواج نوری یا سیگنال‌های مایکروویو کار می‌کنند. الکترون‌ها تحت تأثیر انرژی خارجی میان سطوح انرژی مختلف جابه‌جا می‌شوند و این تغییرات، تپش‌های ساعت را تنظیم می‌کنند. از آنجا که هر عنصر در فرکانس مشخصی چنین تغییراتی را تجربه می‌کند، می‌توان از اتم‌های آن برای تولید تپش‌های زمانی بسیار دقیق بهره برد.

اکنون دانشمندان از ساخت ساعت اتمی جدیدی خبر داده‌اند که رکوردهای پیشین دقت را پشت سر می‌گذارد. این ساعت بر پایه عنصر لوتتیوم ساخته شده و یک ثانیه را با عدم قطعیتی کمتر از یک ۱۰ میلیارد میلیاردم ثانیه اندازه‌گیری می‌کند؛ دقتی که حدود چهار برابر بهتر از رکوردهای قبلی است.

به بیان دیگر، اگر این ساعت به مدت ۳۰۰ میلیارد سال بدون توقف کار کند، میزان خطای آن کمتر از یک ثانیه خواهد بود. این بازه زمانی تقریباً معادل ۱۰ میلیارد میلیاردم ثانیه است. پژوهشگران دانشگاه ملی سنگاپور نتایج این تحقیق را در مجله نیچر منتشر کرده‌اند.

موری بارت، فیزیک‌دان و از پژوهشگران این پروژه، با اطمینان درباره دستاورد تیمش گفت

اطمینان دارم ساعتی که ساخته‌ایم، در حال حاضر دقیق‌ترین ساعت جهان است. به نظر من، در آینده نیز به‌سختی می‌توان ساعتی ساخت که از این فناوری پیشی بگیرد.

ساعت‌های اتمی به‌طور سنتی از سزیم به‌عنوان عنصر مرجع استفاده می‌کنند، اما در سال‌های اخیر عناصر دیگری مانند استرانسیم نیز برای ساخت این ساعت‌ها مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این عناصر نسبت به سزیم نوسان‌های سریع‌تری دارند و در نتیجه، تعداد تپش‌های بیشتری را در هر ثانیه ایجاد می‌کنند.

پژوهشگران حدود یک دهه است که امکان استفاده از لوتتیوم را در ساعت‌های اتمی بررسی می‌کنند. تا امروز نیز تنها همین گروه موفق شده ظرفیت این عنصر را برای اندازه‌گیری زمان با چنین دقتی به مرحله عمل برساند.

مهم‌ترین مزیت لوتتیوم، پایداری بالای آن به شمار می‌رود. ساختار اتمی این عنصر باعث می‌شود در برابر عواملی مانند گرما، میدان مغناطیسی و حرکت مقاومت زیادی داشته باشد؛ عواملی که می‌توانند در تغییر سطح انرژی الکترون‌ها اختلال ایجاد کنند.

بارت درباره این ویژگی گفت

ویژگی‌های مطلوب لوتتیوم باعث می‌شوند بتوان حتی در محیط‌های بسیار متنوع نیز به دقت بالایی دست یافت. ساعت مبتنی بر این عنصر می‌تواند از نظر پایداری عملکرد، شرایطی را تحمل کند که در آن از گرم‌ترین نقطه ثبت‌شده روی زمین، یعنی دره مرگ، به سردترین منطقه فلات جنوبگان منتقل شود.

آزمایش دقت ساعت اتمی جدید

پژوهشگران برای اطمینان از دقت ساعت اتمی خود، نمونه دومی نیز با استفاده از لوتتیوم ساختند. سپس با در نظر گرفتن اصلاحات لازم بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، دو ساعت را با یکدیگر مقایسه کردند؛ زیرا این دو دستگاه دقیقاً در یک مکان قرار نداشتند و همین تفاوت مکانی می‌توانست بر اندازه‌گیری زمان اثر بگذارد.

در مجموع، اندازه‌گیری‌ها طی ۲۰۰ ساعت انجام گرفت و کل فرایند ۱۲ روز طول کشید. اختلاف ثبت‌شده میان دو ساعت آن‌قدر ناچیز بود که عملاً می‌شد آن را صفر در نظر گرفت.

کایل آرنولد، فیزیک‌دان حاضر در این پژوهش، با اشاره به یک ضرب‌المثل طنزآمیز درباره اندازه‌گیری زمان گفت

جمله طنزآمیزی وجود دارد که می‌گوید فردی که یک ساعت دارد، از زمان مطمئن است؛ اما کسی که دو ساعت دارد، دیگر نمی‌داند کدام‌یک زمان درست را نشان می‌دهد. این موضوع در اصل نشان می‌دهد که تنها راه سنجش دقت یک معیار زمانی، مقایسه ساعت‌ها با یکدیگر و اثبات تکرارپذیری نتایج است.

کاربردهای ساعت‌های فوق‌دقیق در علم

ارزش این ساعت‌های بسیار دقیق فقط به نمایش زمان محدود نمی‌شود. آن‌ها برای انجام برخی از بنیادی‌ترین پژوهش‌های فیزیک و بررسی پدیده‌های بزرگ‌مقیاس اهمیت زیادی دارند. برای مثال، دانشمندان می‌توانند با کمک چنین ابزارهایی تغییرات گرانش را در نقاط مختلف زمین اندازه‌گیری کنند.

تیم پژوهشی برای توسعه بیشتر این فناوری قصد دارد ابعاد ساعت اتمی خود را کاهش دهد. نمونه فعلی فضای یک آزمایشگاه کامل را اشغال می‌کند و کوچک‌سازی آن می‌تواند امکان انتقال دستگاه از مکانی به مکان دیگر را فراهم سازد. در این صورت، پژوهشگران قادر خواهند بود دقت ساعت را در موقعیت‌های جغرافیایی بیشتری بررسی کنند و از آن در کاربردهای عملی، مانند پایش ماگما در زیر سطح زمین، بهره ببرند.

لوتتیوم در این زمینه نیز مزایایی دارد. این عنصر با لیزرهای تجاری و در دسترس کار می‌کند که به فضای زیادی احتیاج ندارند. همچنین، ساعت مبتنی بر آن در دمای اتاق فعالیت می‌کند و به سامانه‌های خنک‌کننده بزرگ و حجیم نیازی ندارد.

مایکل لی، فیزیک‌دان و یکی از اعضای گروه پژوهشی، درباره مرحله بعدی این پروژه گفت

گام بعدی ما این است که ساعت آزمایشگاهی را کوچک‌تر کنیم و آن را به سامانه‌ای قابل حمل تبدیل کنیم.

نتایج این پژوهش در مجله علمی نیچر منتشر شده است.

برای ارزیابی پایداری، امنیت و نگهداری این زیرساخت، راهنمای پشتیبانی شبکه را نیز مطالعه کنید.