تبشر أول ساعة نووية عاملة بعصر جديد في ضبط الوقت

قام العلماء ببناء أول ساعة نووية عاملة، والتي تستخدم اهتزازات النوى الذرية لحساب الوقت. لقد تم البحث عن الساعات النووية لأكثر من عقدين من الزمن، ويمكن أن تسمح في نهاية المطاف بضبط الوقت بدقة غير عادية وإجراء تجارب تبحث عن فيزياء جديدة.

الساعات الذرية الأكثر دقة المتوفرة لدينا حاليًا تستخدم الإلكترونات لقياس الوقت. تحتل الإلكترونات مستويات طاقة مختلفة، أو مدارات، حول النواة الذرية، ولا تتحرك بين المدارات إلا عندما يتم تحفيزها بضوء ذي تردد محدد للغاية. يتم تحديد تردد موجة الضوء من خلال عدد الموجات التي تمر خلال فترة زمنية معينة، لذلك يمكن استخدام حساب هذه الموجات في ضبط الوقت، تمامًا مثل البندول الذي يدق في ساعة الجد.

في الساعة الذرية، يتم استخدام ليزر مضبوط على التردد النووي المثير للإلكترون لتحفيز مجموعة من الذرات. إذا انحرف عن التردد الصحيح، فسوف ينتقل عدد أقل من الإلكترونات بين مستويات الطاقة ويتم تصحيح التردد. وهذا يحافظ على دقة ضبط الوقت، مما يضمن أن الساعات المبنية بهذه الطريقة تفقد فقط بضع ثوانٍ كل مليار سنة.

يمكن أيضًا جعل النوى الذرية ترتد بين مستويات الطاقة. من الناحية النظرية، تعد بدقة أكبر من الإلكترونات لأنها تمتلك طاقات أعلى بكثير وتتطلب إثارة أكثر دقة. وهذا يعني أن لديهم القدرة على العمل على استقرار الثواني على مدى مئات المليارات من السنين، وهو أقدم بكثير من عمر الكون، الأمر الذي من شأنه أن يساعد الفيزيائيين في البحث عن فيزياء جديدة غريبة.

ومع ذلك، فإن العائق العملي أمام بناء هذه الساعات النووية هو أن معظم النوى تحتاج إلى طاقة أكبر لإثارةها مما يمكن أن توفره حتى أشعة الليزر الأكثر نشاطًا. لكن يمكن إثارة الثوريوم المشع بطاقة قليلة نسبيًا، لذا فقد كان محورًا لساعة نووية محتملة منذ اكتشاف تردد الليزر المحدد المطلوب لإثارة نواته لأول مرة في عام 2023.

والآن، قام تورستن شوم – من جامعة فيينا للتكنولوجيا في النمسا – وزملاؤه ببناء مثل هذا الجهاز. فهو مصنوع من الثوريوم، وهو يُظهر بالفعل نتائج واعدة في البحث عن جسيمات المادة المظلمة المراوغة. يقول شوم: “إنها تتويج لـ 15 إلى 20 عامًا من البحث”. “إنه لأمر مدهش. عدد قليل جدًا من الباحثين يرون أن حلمهم أصبح حقيقة.”

أظهرت الأنظمة السابقة أن التردد النووي للثوريوم يمكن تحفيزه بواسطة الليزر الصحيح، لكنها كانت تفتقر إلى آلية ضبط التردد المميزة لساعة العمل. يقول هاري مورجان من جامعة مانشستر بالمملكة المتحدة: “إذا كانت هناك لحظة “هذه هي اللحظة”، فمن المحتمل أن تكون هذه”.

قام شوم وزملاؤه ببناء الساعة عن طريق دمج الثوريوم في بلورة مصنوعة من فلوريد الكالسيوم وتسليط الليزر فوق البنفسجي من خلالها. يقوم الليزر، الذي يعمل بمثابة دقات الساعة، بالتبديل بشكل دوري بين ترددين أعلى وتحت التردد النووي المعروف للثوريوم. إذا تم امتصاص الترددات الأعلى والأدنى قليلاً بواسطة الثوريوم بالتساوي، فسيتم ضبط الليزر بشكل صحيح. إذا كان الأمر مختلفًا، فإن الساعة تستخدم هذا كردة فعل لضبط الليزر على التردد الصحيح.

لا تتمتع الساعة النووية حتى الآن باستقرار أفضل الساعات الذرية، بل تعمل بعشرات الثواني الضائعة كل مليار سنة. لكن شوم وفريقه يقولون إن الساعة هي بمثابة دليل على المبدأ، وأنهم لم يقوموا بعد بضبط النظام باستخدام أفضل أجهزة الليزر والإلكترونيات المتاحة.

بالنسبة لمثل هذا النموذج الأولي البسيط، فإنه يظهر استقرارًا مثيرًا للإعجاب، كما يقول عضو الفريق إيكهارد بيك من معهد المقاييس الوطني الألماني PTB. ويقول: “أكثر ما أعجبني هو أن النظام يعمل طوال الليل ولمدة 24 ساعة دون تدخل المستخدم”. “هذا شيء لم يتم تحقيقه بهذه السرعة مع الساعات البصرية الأخرى.”

ولكن حتى بدون هذا الاستقرار، يمكن للساعة النووية أن تفعل أشياء لا تستطيع الساعات الذرية القيام بها. نظرًا لأن النواة محمية من البيئة الكهرومغناطيسية الفوضوية لإلكترونات الذرة، فإنها تتمتع بانتقال دقيق جدًا لا يتأثر بحركة الإلكترونات، مما يجعلها أكثر حساسية للتأثيرات الخارجية للفيزياء. من الناحية العملية، يعني هذا أنه يمكن قياس الخصائص الحساسة للنيوكليونات دون ضجيج الإلكترونات، مما يساعد على الحصول على “دقات” أكثر دقة وقياس الخصائص الفيزيائية الأساسية بدقة أكبر.

. كما أنها لا تحتاج إلى التبريد إلى درجات حرارة منخفضة للغاية أو وضع ذراتها في فراغ مثل الساعات الذرية، وبدلاً من ذلك تعمل في درجة حرارة الغرفة. يقول شوم: “إنه حقًا أبسط شيء يمكنك تخيله”.

وهذا يعني أنه ينبغي تصغير النظام بسهولة أكبر، كما يقول، مما قد يسمح باستخدامه في العديد من أنواع التجارب المختلفة، مثل اختبارات النسبية عبر الأقمار الصناعية. يقول إريك هدسون من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس: «على الرغم من أن الأداء الحالي أقل بكثير من الوضع الحالي، إلا أنه يمكننا أن نتوقع تحسنًا كبيرًا في المستقبل القريب».

استخدم شوم وزملاؤه الطاقات العالية جدًا لنواة الثوريوم لاستبعاد جسيمات المادة المظلمة المحتملة. إذا كانت المادة المظلمة هي قوة شبيهة بالقوة الكهرومغناطيسية تتخلل عالمنا، فيجب أن تغير بمهارة تحولات الطاقة النووية لجميع المواد، بما في ذلك الثوريوم. وهذا من شأنه أن يجعل التردد المحدد الذي تعمل عليه الساعة مختلفًا بشكل قابل للقياس، وهو ما سيكون واضحًا بسبب التردد النووي العالي للثوريوم. “يشبه الأمر إلى حدٍ ما أنك تريد قياس التغير في الطول [in a metal] “يقول شوم: “بسبب التغير في درجة الحرارة. كلما زاد طول العصا، كان التأثير أكبر.”