دانشمندان دقیق ترین ساعت اتمی جهان را ساختند. خطای آن تقریبا غیر قابل تصور است

ساعت اتمی جدید استاندارد جدیدی را برای دقت زمان تعیین می کند.

دقت یک ساعت مچی یا تلفن همراه برای استفاده روزمره کافی به نظر می رسد، اما دانشمندان به دقت بسیار بالاتری نیاز دارند. آنها از ساعت های اتمی برای اندازه گیری زمان تا حد امکان دقیق استفاده می کنند.

این ساعت ها بر اساس پالس های امواج نور یا سیگنال های مایکروویو کار می کنند. الکترون‌ها بین سطوح مختلف انرژی تحت تأثیر انرژی خارجی حرکت می‌کنند و این تغییرات پالس‌های ساعت را تنظیم می‌کنند. از آنجایی که هر عنصر چنین تغییراتی را در فرکانس خاصی تجربه می کند، اتم های آن می توانند برای تولید پالس های زمانی بسیار دقیق استفاده شوند.

اکنون دانشمندان از ساخت ساعت اتمی جدیدی خبر داده اند که از رکوردهای دقت قبلی پیشی گرفته است. این ساعت بر اساس عنصر لوتسیم ساخته شده است و اندازه آن یک ثانیه با عدم قطعیت کمتر از یک ده میلیاردم یک میلیاردم ثانیه است. دقت در حدود چهار برابر بهتر از رکوردهای قبلی است.

به عبارت دیگر، اگر این ساعت 300 میلیارد سال بدون توقف کار کند، میزان خطای آن کمتر از یک ثانیه خواهد بود. این بازه زمانی تقریباً معادل 10 میلیارد میلیارد ثانیه است. محققان دانشگاه ملی سنگاپور نتایج این تحقیق را در مجله Nature منتشر کرده اند.

موری بارت، فیزیکدان و یکی از محققان این پروژه، با اطمینان درباره دستاورد تیمش گفت:

من معتقدم ساعتی که ما ساختیم دقیق ترین ساعت حال حاضر جهان است. به نظر من در آینده ساخت ساعتی که از این فناوری پیشی بگیرد دشوار خواهد بود.

ساعت‌های اتمی به طور سنتی از سزیم به عنوان عنصر مرجع استفاده می‌کردند، اما در سال‌های اخیر عناصر دیگری مانند استرانسیم نیز برای ساخت این ساعت‌ها مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این عناصر سریعتر از سزیم نوسان می کنند و در نتیجه ضربان بیشتری در ثانیه تولید می کنند.

حدود یک دهه است که محققان در حال بررسی امکان استفاده از لوتسیم در ساعت‌های اتمی هستند. تا به امروز تنها این گروه توانسته اند ظرفیت این عنصر را برای اندازه گیری زمان با این دقت به ارمغان بیاورند.

مهمترین مزیت لوتتیوم پایداری بالای آن است. ساختار اتمی این عنصر آن را در برابر عواملی مانند گرما، میدان مغناطیسی و حرکت بسیار مقاوم می کند. عواملی که می توانند در تغییر سطح انرژی الکترون ها دخالت کنند.

بارت در مورد این ویژگی گفت:

ویژگی های مطلوب لوتتیوم، دستیابی به دقت بالا را حتی در محیط های بسیار متنوع ممکن می سازد. یک ساعت مبتنی بر این عنصر می تواند از نظر پایداری عملکرد، شرایطی را تحمل کند که از داغ ترین نقطه ثبت شده روی زمین، دره مرگ، به سردترین منطقه فلات قطب جنوب منتقل شود.

تست دقت ساعت اتمی جدید

محققان برای اطمینان از دقت ساعت اتمی خود، نمونه دومی را با استفاده از لوتتیوم ساختند. سپس با توجه به اصلاحات لازم بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، دو ساعت را با هم مقایسه کردند. زیرا این دو دستگاه دقیقاً در یک مکان نبودند و اختلاف مکان یکسان می توانست بر اندازه گیری زمان تأثیر بگذارد.

در مجموع اندازه گیری ها در 200 ساعت انجام شد و کل فرآیند 12 روز طول کشید. اختلاف ثبت شده بین این دو ساعت به قدری کم بود که عملا می توان آن را صفر در نظر گرفت.

کایل آرنولد، فیزیکدان حاضر در این تحقیق، با اشاره به جمله طنز آمیزی درباره اندازه گیری زمان گفت:

یک ضرب المثل طنز وجود دارد که می گوید کسی که ساعت دارد از زمانش مطمئن است. اما شخصی که دو ساعت دارد نمی داند کدام ساعت زمان صحیح را نشان می دهد. این اساساً نشان می دهد که تنها راه برای اندازه گیری دقت یک استاندارد زمانی، مقایسه ساعت ها با یکدیگر و اثبات تکرارپذیری نتایج است.

کاربرد ساعت های فوق دقیق در علم

ارزش این ساعت های بسیار دقیق فقط به نشان دادن زمان محدود نمی شود. آنها برای انجام برخی از اساسی ترین تحقیقات فیزیک و بررسی پدیده های در مقیاس بزرگ بسیار مهم هستند. به عنوان مثال، دانشمندان می توانند با کمک چنین ابزارهایی تغییرات گرانش را در نقاط مختلف زمین اندازه گیری کنند.

برای توسعه بیشتر این فناوری، تیم تحقیقاتی قصد دارد ابعاد ساعت اتمی آن را کاهش دهد. نمونه فعلی فضای کل یک آزمایشگاه را اشغال می کند و کوچک سازی آن می تواند امکان جابجایی دستگاه را از مکانی به مکان دیگر فراهم کند. در این صورت، محققان می‌توانند دقت ساعت را در مکان‌های جغرافیایی بیشتری بررسی کنند و از آن در کاربردهای عملی مانند نظارت بر ماگما در زیر زمین استفاده کنند.

لوتتیوم نیز در این زمینه مزایایی دارد. این عنصر با لیزرهای تجاری موجود که به فضای زیادی نیاز ندارند کار می کند. همچنین ساعت مبتنی بر آن در دمای اتاق کار می کند و نیازی به سیستم های خنک کننده بزرگ و حجیم ندارد.

مایکل لی، فیزیکدان و یکی از اعضای گروه تحقیقاتی، درباره فاز بعدی این پروژه گفت: