ساعة نووية: تحقيق أقصى دقة

اكتشافات جديدة في الساعات النووية

تخيل ساعة تدق بثبات بحيث لا تفقد ثانية واحدة، حتى بعد تشغيلها لمدة مليار سنة. كشف بحث جديد أن العلماء الآن أقرب من أي وقت مضى إلى تحقيق هذا المستوى من الدقة في ضبط الوقت.

ومن شأن مثل هذا الجهاز أن يتجاوز إلى حد كبير قدرات الساعات الذرية، التي تحدد مدى الثانية من خلال قفزات الطاقة المتحكم بها في إلكترونات الذرات، وهي حالياً ذروة الدقة في قياس الوقت. في الساعات الذرية، تتأرجح الإشارات التي تثير الذرات بتردد مليارات المرات في الثانية الواحدة.

طوّر الباحثون مؤخرًا تقنية يمكن أن ترفع من هذه الدقة عن طريق تشغيل وقياس التذبذبات في هدف أكثر صعوبة: نواة الذرة. من أجل هذه الساعة النووية، استخدم العلماء الضوء فوق البنفسجي لإثارة الجسيمات النووية في ذرة من الثوريوم-229 مدمجة في بلورة صلبة. ثم قاموا بعد ذلك بقياس تردد نبضات الطاقة التي تؤثر على النواة - وهو ما يعادل البندول في الساعة العادية - عن طريق عد الموجات في إشارة الأشعة فوق البنفسجية باستخدام أداة تسمى مشط التردد البصري. ء

يتطلب إحداث قفزات الطاقة في النواة إشارة تردد أعلى بكثير مما هو مطلوب للساعات الذرية. ومع وجود دورات موجية أكثر في الثانية، من المتوقع أن يوفر هذا النهج قياسات زمنية أكثر دقة.

وعلى الرغم من أن ساعتهم النووية لا تزال قيد التنفيذ، إلا أنه بمجرد تحقيقها يمكن أن تغير ليس فقط ضبط الوقت ولكن أيضًا دراسة الفيزياء، بل ستؤثر حتى على كيفية دراسة العلماء لنسيج الكون. النموذج الأولي هو بالفعل بنفس دقة الساعة الذرية، ومن المتوقع أن تكون الإصدارات المستقبلية أكثر دقة واستقرارًا، وفقًا لبحث نُشر في 4 سبتمبر في مجلة Nature.

والآن بعد أن أظهر الباحثون أنه من الممكن إنتاج هذه الإشارات وقياسها، "هناك الكثير من الأشياء التي يمكننا دفعها لزيادة تحسين الدقة"، كما قال المؤلف الرئيسي للدراسة تشوانكون تشانغ تشانغ، وهو طالب دراسات عليا في مركز أبحاث مشترك بين جامعة كولورادو بولدر والمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا.

على سبيل المثال، كما قال تشانغ لشبكة سي إن إن، يمكن أن تشمل التعديلات تعديل محاذاة وتردد أشعة الليزر التي تقيس النواة.

وقالت الدكتورة أولغا كوتشاروفسكايا، أستاذة الفيزياء البارزة في جامعة تكساس إيه آند إم، التي لم تشارك في البحث: "هذا العمل يمثل حقًا فجر الساعة النووية".

في عام 2023، اختبرت كوتشاروفسكايا وباحثون آخرون نوى ذرات السكانديوم-45 كمرشحين محتملين لساعة نووية. في ذلك الوقت، أنتجت تلك الذرات أقوى انتقال للطاقة - ونبض قابل للقياس - شوهد في نواة على الإطلاق، لكن النتائج الجديدة من الثوريوم-229 ولدت إشارة أقوى وكانت أكثر استقرارًا، كما قالت كوتشاروفسكايا لشبكة CNN في رسالة بالبريد الإلكتروني.

وقالت: "تكمن الأهمية الأوسع في الثقة التي توفرها هذه الورقة البحثية في واقع الساعة النووية". "فهي لا تدع مجالاً للشك في أن مثل هذه الساعة ممكنة التنفيذ وسيتم بناؤها قريباً."

مرة بعد مرة

في الساعات الذرية، تُضغط إلكترونات الذرة بإشعاع كهرومغناطيسي بترددات محددة. وتؤدي اندفاعات الطاقة إلى إثارة الإلكترونات، مما يدفعها إلى مدار أعلى حول الذرة. ووفقاً لوكالة ناسا، فإن التذبذبات التي تؤدي إلى انتقال الإلكترونات بين الحالات تشير إلى مرور الوقت.

وتعد موثوقية الساعات الذرية أكبر بكثير من الساعات اليومية التي تقيس الثواني في اهتزازات بلورات الكوارتز، التي تكون عرضة لعدم التزامن. ولعقود من الزمن، استُخدمت الساعات الذرية في تقنيات النظام العالمي لتحديد المواقع، وفي استكشاف الفضاء وحفظ التوقيت الدولي.

ومع ذلك، فإن الساعات الذرية معرضة أيضاً لفقدان المزامنة. وقال تشانغ إن الاضطرابات الكهرومغناطيسية يمكن أن تعطل الإلكترونات المثارة وتؤثر على دقة ضبط الوقت.

ومن ناحية أخرى، يصعب تحريك الجسيمات الموجودة في نواة الذرة أكثر من الإلكترونات. وترتبط البروتونات والنيوترونات ببعضها البعض بإحكام بواسطة القوة النووية القوية - وهي أقوى القوى الأساسية. أفاد الباحثون أن الأطوال الموجية التي يمكن أن تحفز انتقال النواة تتأرجح بترددات أعلى، مما يتيح قياسات زمنية أكثر دقة.

قبل هذه الدراسة، كانت هناك عدة اختراقات مهمة لتطوير الساعات النووية. كان أولها، في عام 1976، هو اكتشاف أن نواة الثوريوم "منخفضة الطاقة بشكل فريد" ويمكن دفعها إلى حالة الإثارة باستخدام ضوء الليزر فوق البنفسجي الفراغي أو الأشعة فوق البنفسجية. وبحلول عام 2003، كان العلماء يقترحون أنه نظراً لأن الثوريوم يتطلب طاقة أقل لإثارة نواته مقارنة بمعظم أنواع الذرات الأخرى، فإن النظير الثوريوم-229 سيكون مرشحاً جيداً للساعات النووية، وفقاً للدراسة.

في عام 2023، ابتكر العلماء طريقة لتضمين الثوريوم-229 في بلورات؛ وقد أخمد هذا النظام ذو الحالة الصلبة الإشارات الصادرة عن الاضمحلال النووي، مما يسهل تتبع الإشارات المطلوبة. وفي وقت سابق من هذا العام، قام باحثون آخرون بقياس الطول الموجي للضوء فوق البنفسجي اللازم لإثارة النواة في الثوريوم-229.

وقال تشانغ: "يعتمد عملنا على ذلك". "باستخدام مصدر ضوء المشط الترددي الخاص بنا وهذه البلورة، تمكنا من إثارة الانتقال النووي وطاقات الانتقال المختلفة." وأضاف تشانغ أن نتائجهم كانت أكثر دقة بنحو مليون مرة من القياسات السابقة.

وقال الدكتور شيمون كولكويتز، الأستاذ المشارك ورئيس قسم الفيزياء في جامعة كاليفورنيا في بيركلي: "هذه الورقة البحثية هي جولة حقيقية في عالم الفيزياء".

وقال كولكوفيتز، الذي لم يشارك في البحث: "إن جودة البيانات والسرعة التي حققوا بها النتائج الرائعة في هذه المخطوطة الجديدة مذهلة حقًا". "إنها تمثل خطوة كبيرة إلى الأمام في تطوير الساعات النووية، وهو ما كان الفيزيائيون يعملون من أجله منذ عقود."

إحداث ثورة في الفيزياء

لقد منحت دقة الساعات الذرية وثباتها العلماء بالفعل أدوات مهمة لدراسة الزلازل ومجالات الجاذبية والزمكان. وقالت كوتشاروفسكايا إن هذه المجالات يمكن أن تشهد "دفعة كبيرة" من الساعات النووية. وقالت إن الساعات النووية لن تكون أكثر دقة فحسب، بل ستكون أيضاً أبسط وأكثر قابلية للنقل، لأنها على عكس الساعات الذرية لن تتطلب ظروف فراغ عالية وتبريداً شديداً وحماية قوية من الاضطرابات المغناطيسية والكهربائية.

ويمكن أن تحدث ثورة في دراسة الفيزياء نفسها باستخدام الساعات النووية جنباً إلى جنب مع الساعات الذرية، وفقاً لما ذكرته تشانغ. وقالت تشانغ إن رصد ومقارنة نسب التردد في نوعي الساعات مع مرور الوقت يمكن أن يساعد العلماء على معرفة ما إذا كانت الثوابت الفيزيائية الأساسية ثابتة حقاً كما تبدو أو إذا كانت تتغير بمستويات كانت في السابق أقل من أن تُقاس.

وأضاف أن تقنية الساعة المزدوجة هذه يمكن أن تغير قواعد اللعبة في دراسة المادة المظلمة، وهي المادة الغامضة التي تشكل 80% من الكون ولكن لم يتم قياسها بشكل مباشر.

وقد اقترح بعض العلماء أن المادة المظلمة تتفاعل مع جسيمات مثل الإلكترونات والكواركات والغلوونات ولكن بكميات لا يمكن اكتشافها حالياً.

وقال تشانغ: "نريد أن نرى ما إذا كانت المادة المظلمة يمكن أن تتفاعل مع النواة الذرية بطريقة مختلفة قليلاً مقارنة بمدار الإلكترون في الذرة". "إذا كانت نسبة تردد انتقال الساعة النووية والساعة الذرية تتغير بمرور الوقت، فسيكون ذلك مؤشراً على فيزياء جديدة."

وقال كولكويتز إنه على الرغم من أنه لا يزال هناك الكثير من التقدم الذي يتعين إحرازه قبل أن تتفوق الساعات النووية على أداء الساعات الذرية - أو تحل محلها - فإن هذه النتائج تشير إلى أن هذا الوقت ليس بعيدًا.

وقال كولكوفيتش: "مع تطوير مصادر ليزر أفضل للأشعة فوق البنفسجية ومع حل بعض ألغاز وحيل الساعات النووية، أتوقع أنه في نهاية المطاف أن بعض أنواع التجارب التي نجريها حالياً في مختبري لاختبار النسبية والبحث عن فيزياء جديدة باستخدام الساعات الذرية ستُجرى بدلاً من ذلك باستخدام الساعات النووية".

ما هي الخطوة التالية للساعات النووية؟ في هذه المرحلة، الوقت وحده هو الذي سيخبرنا بذلك.

_مندي وايزبرغر كاتبة علمية ومنتجة إعلامية ظهرت أعمالها في مجلة لايف ساينس ومجلة ساينتفك أمريكان ومجلة هاو إت وركس.