ابتكرت الصين ساعة بصرية ستكون دقيقة تمامًا لمدة سبعة مليارات سنة

من المفترض أن يقوم الباحثون في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين ببناء ساعة بصرية ذات استقرار وعدم يقين أقل من خمسة كوينتيليون من الثانية . سوف تفقد الساعة أو تكتسب ثانية واحدة خلال السبعة مليارات سنة القادمة. ولذلك، فمن المرجح أن يمثل الوقت المحدد طوال حياتنا، وأبنائنا وأحفادنا.

للساعات البصرية دور أساسي في المستقبل الناشئ اليوم. يعتقد العلماء أن بإمكانهم تطوير نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) الأكثر دقة وأنظمة توزيع المفاتيح الكمومية باستخدام الساعات الضوئية. وترتبط الابتكارات مقارنة بالساعات الأخرى فائقة الدقة باستخدام السترونتيوم كذرة مرجعية وبطرق الإثارة عبر الفوتونات.

عملت فرق بحثية من اليابان والولايات المتحدة وألمانيا على تطوير الساعات الذرية. ومع ذلك، فإن الساعة الذرية الأكثر دقة موجودة في جامعة كولورادو في بولدر وهي أيضًا مستقرة في عملها. وبفضل هذا الإنجاز الأخير، أصبحت الصين الدولة الثانية في العالم التي أظهرت دقة في ضبط الوقت. ومع ذلك، من المفترض أن تكون الساعة أكثر دقة من نظيرتها الأمريكية.

الساعة الذرية لجامعة بولدر

خطوة واحدة أقرب: يستخدم العلماء مصادر الضوء لتشغيل الساعة النووية
سباق لتقليل الوقت في أصغر الساعات الذرية في العالم

كيف يتم تعريف الثانية

يتم تعريف الثانية بواسطة العلم بناءً على الساعة الذرية، المعروفة باسم ساعة نافورة السيزيوم. يتم تشعيع ذرات السيزيوم بإشارة الميكروويف، ويتم "استجوابها" حول حالتها (الكم، الدوران) بعد التعرض. اعتمادًا على النتيجة، يتغير تردد الاستجواب بشكل أو بآخر، حتى يتم "ربطه" برنين الذرة. يخرج شعاع من ذرات السيزيوم من الفرن، ويتم توجيهه إلى مجال مغناطيسي، ليتم بعد ذلك ضربه بموجات الميكروويف في منطقة التفاعل، وأخيراً يتم استجوابه حول حالته بواسطة مطياف الكتلة.

كل دورة من هذه الدورات عبارة عن علامة صغيرة تشكل أجزاء من الثانية، مما يسمح للعلماء بالحفاظ على ضبط الوقت بدقة في حدود عدة كوادريليون. ومع ذلك، فإن دقة مثل هذه الساعة تعتمد على تردد الموجات الدقيقة. ولهذا السبب، طور الباحثون ساعة بصرية تحل محل الموجات الدقيقة بضوء الليزر. من المقدر أن يؤدي ذلك إلى تحسين أداء الساعة بمقدار أمرين من حيث الحجم.

ساعة نافورة السيزيوم

بناء الساعات البصرية للمستقبل

يتطلب اعتماد الساعات الضوئية الرقمية ثلاثة مختبرات على الأقل لتحقيق استقرار أقل من خمسة كوينتيليون وعدم يقين أقل من اثنين كوينتيليون. وتحت قيادة بان جيانوي، استخدم فريق البحث الصيني السترونتيوم لصنع ساعته البصرية.

قام الباحثون بتبريد ذرات السترونتيوم إلى درجات حرارة تصل إلى بضعة درجات من الميكرو كلفن. ثم قاموا بحبسهم في شبكة أحادية البعد تم إنشاؤها بمساعدة أشعة الليزر المتقاطعة. ثم استخدموا ليزرًا فائق الثبات لتحفيز الذرات وتحقيق تذبذب انتقالي مستقر ودقيق للحالة.

وأكدت المقارنة مع الساعات المستقلة الأخرى أن الساعة الضوئية كانت مستقرة حتى 2.2 كوينتيليون، بينما كان عدم اليقين فيها 4.4 كوينتيليون. وفي مجلة الأبحاث Metrologia، ذكر الباحثون أن ساعتهم البصرية ستفقد أو تكتسب ثانية واحدة خلال 7.2 مليار سنة.

وهذا يضمن أن عمل الفريق يقع ضمن الحد الأدنى من المعايير المطلوبة لبناء مستقبل يستخدم الساعات الضوئية لقياس الوقت بدقة. ويخطط الباحثون أيضًا لاستخدام ذرات أخرى، مثل الإيتربيوم، لصنع الساعة ومقارنة الاختلافات في قياس الوقت.

وقال الباحثون أيضًا إن عملهم فتح آفاقًا جديدة لاختبار النظريات الأساسية للفيزياء والبحث عن موجات الجاذبية والمادة المظلمة. يعد القياس الدقيق للغاية للوقت أمرًا ضروريًا في الفيزياء، أو في معايرة أنظمة الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، والتي تعتمد دقتها بدقة على تزامن الساعات الداخلية للنظام.

المقال الذي أنشأته الصين لساعة بصرية ستكون دقيقة تمامًا لمدة سبعة مليارات سنة يأتي من السيناريوهات الاقتصادية .