نوع جديد من الساعة الذرية هو أكثر دقة من أي ساعة مبنية حتى الآن ، مع القدرة على التأشير بسلاسة لألف مرة من عمر الكون. بالإضافة إلى كونها أفضل ناظِمة للوقت حتى الآن ، قد تقدم ساعة الغازات الكمومية الجديدة رؤى حول الفيزياء الجديدة يومًا ما.
استخدم الباحثون في JILA (يشار إليه سابقًا باسم المعهد المشترك للفيزياء الفلكية المختبرية) مزيجًا من ذرات السترونتيوم ومجموعة من أشعة الليزر لإنشاء ساعة دقيقة جدًا لدرجة أنها قد تكون قادرة على قياس تفاعل الجاذبية بمقاييس أصغر من أي وقت مضى . من خلال القيام بذلك ، قد يلقي الضوء على طبيعة علاقته بالقوى الأساسية الأخرى ، وهو اللغز الذي حير الفيزيائيين لعقود.
تقوم الساعات الذرية بقياس الوقت باستخدام اهتزازات الذرات مثل المسرع الدقيق جدًا. الساعات الذرية الحالية متوقفة بثواني على مدى عشرات المليارات من السنين. يبقى هذا التكرار الجديد دقيقًا بما يكفي بحيث يتم إيقافه لمدة ثانية واحدة فقط على مدار حوالي 90 مليار سنة.
للحصول على هذا النوع من الدقة ، قام الفريق بتبريد ذرات السترونتيوم لمنعهم من التحرك والاصطدام ببعضهم البعض - وهو شيء يمكن أن يزيل اهتزازاتهم. أولا ، ضربوا الذرات بالليزر. عندما تصطدم الفوتونات بالليزر ، تمتص الذرات طاقتها وتعيد إطلاق الفوتون ، وتفقد الطاقة الحركية وتصبح أكثر برودة. لكن ذلك لم يبردهم بما فيه الكفاية. لذلك لجعلها أكثر برودة ، اعتمد الفريق على التبريد التبخيري ، مما سمح لبعض ذرات السترونتيوم بالتبخر وقبول المزيد من الطاقة. تركت مع ما بين 10000 و 100000 ذرة ، عند درجة حرارة تتراوح من 10 إلى 60 مليار جزء من درجة فوق الصفر المطلق ، أو ناقص 459 درجة فهرنهايت (ناقص 273 درجة مئوية).
حوصرت الذرات الباردة بترتيب ثلاثي الأبعاد من أشعة الليزر. تم إنشاء الحزم للتداخل مع بعضها البعض. أثناء قيامهم بذلك ، قاموا بإنشاء مناطق ذات طاقة منخفضة ومرتفعة ، تسمى الآبار المحتملة. تعمل الآبار مثل علب البيض المكدسة ، وكل واحد يحمل ذرة السترونتيوم.
أصبحت الذرات باردة جدًا لدرجة أنها توقفت عن التفاعل مع بعضها البعض - على عكس الغاز الطبيعي ، حيث تدور الذرات بشكل عشوائي وترتد عن زملائها ، تظل هذه الذرات المبردة ثابتة تمامًا. ثم يبدأون في التصرف بطريقة أقل تشبه الغاز وأكثر تشبه مادة صلبة ، على الرغم من أن المسافة بينهما أكبر بكثير مما هو موجود في السترونتيوم الصلب.
وقال مدير المشروع جون يي ، الفيزيائي في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا لـ Live Science: "من وجهة النظر هذه ، إنها مادة مثيرة للاهتمام للغاية ، ولديها الآن خصائص كما لو كانت حالة صلبة". (يتم تشغيل JILA بشكل مشترك من قبل NIST وجامعة كولورادو في بولدر.)
عند هذه النقطة ، كانت الساعة جاهزة لبدء حفظ الوقت: ضرب الباحثون الذرات بالليزر ، إحدى الإلكترونات المثيرة التي تدور حول نواة السترونتيوم. نظرًا لأن الإلكترونات تحكمها قوانين ميكانيكا الكم ، لا يمكن للمرء أن يقول مستوى الطاقة الذي يوجد فيه الإلكترون بمجرد أن يكون متحمسًا ، ولا يمكن إلا أن يقول أنه من المحتمل أن يكون في واحد أو آخر. لقياس الإلكترون ، قاموا بعد 10 ثوانٍ بإطلاق ليزر آخر على الذرة. يقيس هذا الليزر مكان وجود الإلكترون حول النواة ، حيث يتم إعادة إطلاق الفوتون من الليزر بواسطة الذرة - وعدد المرات التي تأرجح فيها في تلك الفترة (10 ثوان).
إن قياس هذا القياس على آلاف الذرات هو ما يمنح هذه الساعة الذرية دقتها ، تمامًا مثل متوسط ضربات الآلاف من البندولات المتطابقة سيعطي المرء فكرة أكثر دقة عن فترة هذا البندول.
وقال يي إن الساعات الذرية حتى الآن لا تحتوي إلا على "سلاسل" واحدة من الذرات على عكس الشبكة ثلاثية الأبعاد ، لذا لم يكن بإمكانها أخذ العديد من القياسات كما فعلت هذه القياسات.
قال يي "إن الأمر يشبه مقارنة الساعات". "باستخدام هذا التشبيه ، يبدأ نبض الليزر على الذرات تذبذب متماسك. وبعد عشر ثوان نعيد تشغيل النبض مرة أخرى ونطلب من الإلكترون ،" أين أنت؟ ".
قال يي إن الحفاظ على الإلكترونات بين تلك الحالة أمر صعب ، وهذا سبب آخر لضرورة أن تكون الذرات باردة جدًا ، بحيث لا تلمس الإلكترونات أي شيء آخر عن طريق الخطأ.
يمكن للساعة قياس الثواني إلى جزء واحد بتريليونات. هذه القدرة تجعل أكثر من مجرد ساعة جيدة. وقال يي إنه قد يساعد في البحث عن ظواهر مثل المادة المظلمة. على سبيل المثال ، يمكن للمرء إعداد تجربة في الفضاء باستخدام مثل هذا المؤقت الدقيق لمعرفة ما إذا كانت الذرات تتصرف بشكل مختلف عما تتنبأ به النظريات التقليدية.
الدراسة مفصلة في عدد 6 أكتوبر من مجلة ساينس.
