لعقود من الزمن، سعى الفيزيائيون إلى تحقيق هدف يبدو شبه مستحيل: بناء ساعة تقيس الوقت باستخدام نواة الذرة بدلاً من الإلكترونات التي تدور حولها.
الآن، أثبت الباحثون أول ساعة نووية تعمل – وهو تقدم قد يؤدي في النهاية إلى أجهزة أكثر قوة لقياس الوقت وطرق جديدة للبحث عنها المادة المظلمة والفيزياء وراء النموذج القياسي.
“بعد أن عملت في هذا المجال لأكثر من 15 عامًا، فمن الجميل أن تتحول فكرة “جامحة” جدًا مثل معالجة نواة ذرية بالليزر إلى حقيقة واقعة.” ثورستن شوموقال أستاذ علم القياس الكمي في جامعة فيينا للتكنولوجيا وعضو في فريق البحث لموقع Live Science عبر البريد الإلكتروني.
كيف تختلف الساعة النووية عن الساعة الذرية؟
الساعات الذرية الأكثر دقة اليوم هي الساعات الذرية الضوئية، والتي تقيس تردد الإلكترونات التي تقفز بين مستويات الطاقة المختلفة داخل الذرات. هذه الساعات دقيقة للغاية لدرجة أنها ستفعل ذلك تفقد أقل من ثانية خلال 100 مليون سنة.
أ الساعة النووية يعمل بشكل مشابه، ولكنه يستخدم الانتقال داخل النواة نفسها، حيث تقفز النواة بين مستويات الطاقة. نظرًا لأن النواة تقع في أعماق الذرة، فهي أقل تأثرًا بالاضطرابات الخارجية الناجمة عن أشياء مثل المجالات الكهربائية أو المغناطيسية. وفقًا لشوم، يمكن أن يكون التحول النووي أقل حساسية للضوضاء البيئية بمقدار 1000 إلى 10000 مرة من التحولات الذرية.
رسم تخطيطي يوضح كيفية عمل الساعة النووية.
(حقوق الصورة: N. Hanacek/NIST)
“وهذا يعني أنه سيكون من الأسهل تثبيت الساعة النووية على مدى فترات طويلة من الزمن”. جاكوب هيجنز، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة نورث وسترن والذي عمل سابقًا في تجارب ساعة الثوريوم في JILA في كولورادو ولكنه لم يكن منتسبًا إلى الدراسة، أخبر Live Science في بريد إلكتروني. “إن التحول المستخدم في تجربة الساعة النووية له عامل جودة أعلى من انتقالات الساعة الذرية الضوئية، مما يعني أنه من حيث المبدأ، يمكن قياسه بشكل أكثر دقة في ضوء نفس مقدار وقت القياس.”
معًا، يمكن لهذه المزايا أن تسمح للساعات النووية بالتفوق حتى على أفضل الساعات الذرية الموجودة حاليًا وفقًا لهيجنز.
احصل على الاكتشافات الأكثر روعة في العالم والتي يتم تسليمها مباشرة إلى صندوق الوارد الخاص بك.
لماذا الثوريوم 229 خاص؟
تعتمد الساعة النووية على نظير نادر يسمى الثوريوم-229، التي تحتوي نواتها على حالة مثارة منخفضة الطاقة بشكل غير عادي يمكن التلاعب بها ضوء الليزر فوق البنفسجي.
لعقود من الزمن، كان العلماء يشتبهون في أن الثوريوم لديه انتقال منخفض، ولكن ثبت أن تحديده والسيطرة عليه أمر صعب للغاية. قضى الباحثون سنوات في اختبار مواد مختلفة تحتوي على الثوريوم، وأنظمة ليزر وطرق كشف قبل تحديد عملية التحول في النهاية.
قال هيغينز: “لقد كان الطريق طويلاً”.
كان أحد التطورات الرئيسية هو تطوير ليزر الموجة المستمرة التي تعمل عند الطول الموجي الدقيق اللازم لإثارة نواة الثوريوم. قبل وجود هذه الليزرات، كان على الباحثين إثارة النواة ثم الانتظار عدة دقائق حتى تتحلل وتصدر إشارة يمكن اكتشافها. وكانت تلك العملية بطيئة للغاية بحيث لم تتمكن من بناء ساعة عملية.
وقال شوم: “مع الليزر المستمر، يمكننا قياس امتصاص النواة والحصول على استجابة فورية، سواء كان الليزر لا يزال عند التردد الصحيح (وإذا لم يكن كذلك، قم بتصحيحه مرة أخرى).” “بمجرد أن حصلنا على ذلك، كان الأمر مجرد تنفيذ بعض الإلكترونيات والذرات لجعل الساعة تستقر على النواة.”
وبفضل هذا الإعداد، أبقى الباحثون الساعة النووية تعمل بشكل مستمر لمدة 24 ساعة.
على عكس الكثير الساعات الذرية البصرية، والتي تتطلب تعليق ذرات فائقة البرودة في غرفة مفرغة، يتم دمج نواة الثوريوم داخل بلورة في درجة حرارة الغرفة.
ونظرًا لأن انتقال الثوريوم يظل مستقرًا داخل مادة صلبة، فقد يتمكن الباحثون في النهاية من بناء ساعات مدمجة مفيدة لأنظمة الملاحة وشبكات الاتصالات ومزامنة البيانات.
تم إطلاق الساعة الذرية للفضاء السحيق التابعة لناسا، والتي تظهر هنا في رسم توضيحي فني، في يونيو 2019 لاستخدام الساعات الذرية في الفضاء.
(حقوق الصورة: ناسا)
بعض الفيزيائيين متحمسون أكثر لما يمكن أن تكشفه الساعات النووية عن الفيزياء الأساسية، بدلاً من قدرات الساعات في ضبط الوقت.
تقوم الساعات الذرية في المقام الأول باستكشاف التفاعلات الكهرومغناطيسية التي تتضمن الإلكترونات. وعلى النقيض من ذلك، فإن الساعات النووية حساسة للقوة النووية القوية، والقوة النووية الضعيفة، والكهرومغناطيسية – ثلاثة منها أربع قوى أساسية الكون، بالإضافة إلى الجاذبية. وهذا يمكن أن يجعلها كاشفات مفيدة للفيزياء الجديدة، بطريقة ما.
وقال شوم: “الساعة النووية هي في المقام الأول ساعة مختلفة، تدق على آليات فيزيائية أساسية مختلفة”. “في الأساس، تتنبأ جميع النظريات الحديثة التي تتجاوز النموذج القياسي بوجود جسيمات إضافية أو قوى خامسة… والتي يمكن فحصها باستخدام الساعة النووية في بعض أنظمة المعلمات.”
الثوريوم 229 مثير للاهتمام بشكل خاص لأن فرق الطاقة بين الدولتين النوويتين ناتج عن توازن دقيق بين القوى الكهرومغناطيسية والنووية. ولأن هذه المساهمات الكبيرة تلغي بعضها البعض تقريبًا، فحتى التغييرات الصغيرة في القوى الأساسية يمكن أن تغير تردد الساعة.
“إن التحولات الصغيرة في هذه القوى – مثل إذا كانت النواة تقترن بأشكال معينة من المادة المظلمة وقال هيغينز: “أو إذا كان هناك تذبذب بثابت أساسي، فسوف يتم تضخيمه في قياساتنا”.
وقد استخدم الباحثون، بما في ذلك هيجنز، بالفعل الإصدارات المبكرة من الساعة لوضع قيود على بعض نماذج المادة المظلمة، ويتوقعون ذلك حساسيتها للتحسين مع تحسن التكنولوجيا نفسها.
على الرغم من أن أول ساعة نووية عاملة تمثل إنجازًا كبيرًا، إلا أن أدوات ضبط الوقت هذه لا تزال في مهدها. لا يزال العلماء بحاجة إلى فهم أفضل لكيفية استجابة انتقال الثوريوم لعوامل مثل درجة الحرارة والمجالات المغناطيسية أثناء تطوير أنظمة ليزر أكثر قوة واستقرارًا.
وقال هيغينز: “أعتقد أن الأمر سيستغرق سنوات عديدة قبل أن تتمكن ساعة الثوريوم من التنافس مع أفضل الساعات الذرية الضوئية الموجودة اليوم، لكننا سنتعلم الكثير من العلوم الجديدة في الطريق للوصول إلى هناك”.
