دقیق‌ترین ساعت جهان ساخته شد؛ لوتتیوم شاید تعریف ثانیه را تغییر دهد

دانشمندان ساعتی ساخته‌اند که می‌تواند یکی از دقیق‌ترین ابزارهای اندازه‌گیری زمان در تاریخ باشد. ساعت اتمی جدید که بر پایه عنصر لوتتیوم ساخته شده، توانسته رکورد دقت ساعت‌های اتمی را بهبود دهد و ممکن است در آینده به تغییر تعریف رسمی «ثانیه» کمک کند.

فناوری مورد بحث توسط پژوهشگران مرکز فناوری‌های کوانتومی سنگاپور توسعه داده شده است. آزمایش‌های انجام‌شده نشان می‌دهد ساعت لوتتیومی نه‌تنها با پیشرفته‌ترین ساعت‌های اتمی امروزی رقابت می‌کند، بلکه از نظر دقت می‌تواند از آن‌ها جلوتر باشد. موری برت، فیزیک‌دان دانشگاه ملی سنگاپور و یکی از پژوهشگران این پروژه، می‌گوید: «اطمینان دارم چیزی که ساخته‌ایم، دقیق‌ترین ساعت جهان است.»

برای اندازه‌گیری زمان، ساعت‌های معمولی از حرکت‌های مکانیکی مانند چرخش چرخ‌دنده‌ها یا نوسان بلورها استفاده می‌کنند. اما ساعت‌های اتمی سراغ مقیاس بسیار کوچک‌تری می‌روند: رفتار اتم‌ها.

هرچه تعداد این نوسان‌ها بیشتر و پایدارتر باشد، ساعت می‌تواند زمان را دقیق‌تر اندازه بگیرد. به همین دلیل ساعت‌های نوری که از نور لیزر استفاده می‌کنند، در سال‌های اخیر از ساعت‌های اتمی قدیمی‌تر دقیق‌تر شده‌اند.

از دهه ۱۹۶۰ تاکنون، عنصر سزیم پایه اصلی تعریف رسمی ثانیه بوده است. بر اساس استاندارد فعلی، یک ثانیه برابر با ۹٬۱۹۲٬۶۳۱٬۷۷۰ نوسان مشخص در اتم سزیم-۱۳۳ است. اما دانشمندان به دنبال اتم‌هایی هستند که بتوانند این نوسان‌ها را با سرعت بیشتر و خطای کمتر ثبت کنند. عناصری مانند استرانسیوم و ایتربیوم پیش‌تر در ساعت‌های نوری آزمایش شده‌اند و دقت بسیار بالایی نشان داده‌اند.

اکنون لوتتیوم به‌عنوان گزینه‌ای تازه مطرح شده است.

لوتتیوم یکی از عناصر سنگین جدول تناوبی و از خانواده عناصر خاکی کمیاب است. جرم بالای این عنصر باعث می‌شود اتم‌های آن هنگام اندازه‌گیری کمتر تحت تأثیر حرکت‌های ناخواسته قرار بگیرند.

ویژگی مهم دیگر لوتتیوم این است که نسبت به تغییرات محیطی مقاوم‌تر است. گرما، تابش حرارتی و تغییرات میدان مغناطیسی می‌توانند باعث ایجاد خطا در ساعت‌های اتمی شوند، اما لوتتیوم نسبت به این عوامل حساسیت بسیار کمی دارد. این موضوع باعث می‌شود ساعت ساخته‌شده با لوتتیوم بتواند در شرایط مختلف همچنان پایدار باقی بماند. پژوهشگران می‌گویند چنین ساعتی حتی با تغییر شدید دما، از گرم‌ترین نقاط زمین تا سردترین مناطق قطب جنوب، می‌تواند دقت بالای خود را حفظ کند.

عامل مهم دیگر، سرعت نوسان این عنصر است. لوتتیوم حدود ۱۰ هزار برابر سریع‌تر از سزیم نوسان می‌کند. هرچه این نوسان سریع‌تر باشد، امکان تقسیم زمان به بخش‌های کوچک‌تر و اندازه‌گیری دقیق‌تر آن بیشتر می‌شود.

پژوهشگران برای بررسی عملکرد ساعت جدید، دو ساعت اتمی مبتنی بر لوتتیوم ساختند و آن‌ها را با شرایط بسیار دقیق با یکدیگر مقایسه کردند.

نیواطلسآزمایش دو ساعت اتمی لوتتیومی نشان داد خطای احتمالی آن‌ها فقط حدود یک بخش در ۱۰ میلیارد میلیارد است؛ یعنی عددی آن‌قدر کوچک که اثر عواملی مثل تغییر دما، میدان مغناطیسی و حتی اختلاف چند میلی‌متری ارتفاع نسبت به مرکز زمین می‌تواند روی اندازه‌گیری اثر بگذارد.

پیش از این، یک ساعت اتمی مبتنی بر یون کلسیم که توسط پژوهشگران آکادمی علوم چین ساخته شده بود، به دقتی حدود چهار بخش در ۱۰ میلیارد میلیارد رسیده بود. ساعت جدید لوتتیومی توانسته این رکورد را بهبود دهد.

البته رسیدن به چنین دقتی کار ساده‌ای نیست. در این مقیاس، حتی تفاوت چند میلی‌متری در فاصله دو ساعت از مرکز زمین می‌تواند به دلیل اثر گرانش، باعث شود یکی از آن‌ها زمان را اندکی متفاوت اندازه بگیرد. بر اساس نظریه نسبیت عام اینشتین، گرانش روی گذر زمان اثر می‌گذارد و ساعت نزدیک‌تر به یک جرم بزرگ، کمی آهسته‌تر کار می‌کند.

دانشمندان همچنین امیدوارند این فناوری بتواند به حل یکی از بزرگ‌ترین پرسش‌های فیزیک کمک کند: چگونه می‌توان نظریه نسبیت عام که گرانش را توضیح می‌دهد، با مکانیک کوانتومی که رفتار ذرات بسیار کوچک را توصیف می‌کند، هماهنگ کرد.

تعریف فعلی ثانیه بر پایه سزیم از سال ۱۹۶۷ استفاده می‌شود، اما با پیشرفت ساعت‌های نوری، دانشمندان بررسی می‌کنند که آیا زمان آن رسیده است استاندارد جدیدی معرفی شود. هنوز تصمیمی برای تغییر رسمی تعریف ثانیه گرفته نشده، اما ساعت‌های مبتنی بر عناصری مانند لوتتیوم، ایتربیوم و استرانسیوم گزینه‌های اصلی برای استاندارد آینده هستند.

برت معتقد است دقت ساعت لوتتیومی چنان بالاست که شکست دادن آن در آینده بعید به نظر می‌رسد.

پژوهش در ژورنالNatureمنتشر شده است.