ظهرت أولى “الساعات النووية” الموقوتة، فماذا يمكنها أن تفعل؟

قام فريقان من الفيزيائيين بصنع العالم الساعات النووية الأولى. تستخدم هذه الأجهزة الجذرية الجديدة التقلبات في حالات الطاقة لنواة الذرة للحفاظ على الوقت، بدلاً من تلك الخاصة بإلكتروناتها، التي تستخدمها الساعات الذرية حاليًا لتحديد طول الثانية.

استغرق العمل على كيفية استخراج “القراد” من النواة واستخدامها للاحتفاظ وقتًا طويلاً أكثر من 20 عاما. يجب أن تكون الساعات النووية أكثر قوة وقابلية للحمل من أفضل الساعات المتاحة اليوم لأن النوى يصعب إزعاجها ومحمية بالبلورة. فضلاً عن احتمال أن تصبح أكثر دقة في يوم من الأيام، فإنها تمنح الفيزيائيين أيضًا طريقة غير مسبوقة لاستكشاف القوى المؤثرة داخل النواة.

تم عرض ساعتين نوويتين في دراستين، تم نشرهما على خادم ما قبل الطباعة arXiv يومي 3 و7 يونيو، من قبل فرق في أوروبا¹ والصين². إنها تظهر أن الساعات النووية قد انتقلت من نظام “ذو إمكانات” إلى “أداة دقيقة فعالة” يمكن استخدامها للبحث عن فيزياء جديدة، كما يقول جلعاد بيريز، عالم الفيزياء النظرية في معهد وايزمان للعلوم في رحوفوت، إسرائيل.

يقول ثورستن شوم، عالِم الفيزياء الذرية بجامعة فيينا للتكنولوجيا، والعضو الرئيسي في الفريق الأوروبي، إن إنشاء ساعة نووية هو «حلم أصبح حقيقة». ويقول إنه حتى وقت قريب، كان هذا المجال “مكانًا هادئًا” للعمل فيه. “الآن لدينا منافسة عالمية شرسة ولكن ودية“.

تيك توك

تتطلب جميع الساعات تذبذبًا ثابتًا، مثل تذبذب البندول المتأرجح، للحفاظ على الوقت. في أفضل الساعات الذرية، يتم إنشاء هذا التذبذب بواسطة الطول الموجي المرئي للضوء الذي يدفع الإلكترون للقفز بين مستويات الطاقة. يحدد الفيزيائيون التردد المحدد لضوء الليزر المطلوب لتحفيز هذا التحول في حالة الإلكترون، ثم يستخدمون هذا التردد للحفاظ على الوقت.

الساعة النووية مختلفة. فبدلاً من التسبب في انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة، فإنه يحافظ على الوقت عن طريق تعزيز البروتونات والنيوترونات داخل نواة ذرات الثوريوم-229 إلى حالة طاقة أعلى. تتطلب معظم العناصر كمية هائلة من الطاقة لإعادة تنظيم نواتها، لكن الثوريوم غير معتاد لأنه يحتوي على مستويات طاقة مستقرة قريبة جدًا من بعضها البعض، لدرجة أن مجرد دفعة من ضوء الليزر فوق البنفسجي يمكن أن تؤدي إلى التحول.

يمهد اختراق “الساعة النووية” الطريق لضبط الوقت بدقة فائقة

كان الفيزيائيون يشتبهون في الخصائص الخاصة للثوريوم لعقود من الزمن، لكنهم لم ينجحوا أخيرًا في اكتشافه حتى عام 2024. تفعيل التحول النووي في بلورة بحجم ملليمتر من فلوريد الكالسيوم محملة بتريليونات من ذرات الثوريوم-229. في وقت لاحق من ذلك العام فريق آخر حدد التردد الدقيق الذي يحدث فيه.

الشيء الوحيد الذي كان مفقودًا لكي تعمل الساعة النووية هو طريقة قفل تردد الليزر باستخدام ضابط الوقت الطبيعي والحفاظ على سرعة دقات الساعة من الانحراف بمرور الوقت. حقق كلا الفريقين ذلك من خلال مراقبة مقدار امتصاص ذرات الثوريوم-229 لضوء الليزر. يقول شوم إنه عندما كان الليزر في النطاق الصحيح، انخفضت قوة الإشارة مع امتصاص الفوتونات. ولكن إذا انحرف التردد، “فإنك ترى الإشارة تظهر مرة أخرى، ويمكنك تصحيح ذلك على الفور”، كما يقول.

اختلفت المجموعات في أساليبها الدقيقة: استخدمت المجموعة في الصين، بقيادة شيكيان دينغ، عالم الفيزياء في جامعة تسينغهوا في بكين، ليزرًا أقوى بحوالي 100 مرة من الليزر الأوروبي، لكن بلورتهم كانت تحتوي على تركيز أقل من ذرات الثوريوم 229، لذا كانت الإشارات التي تنتجها كلتا الساعتين قابلة للمقارنة بشكل عام.

كانت ساعات كلا الفريقين تدق بشكل موثوق، ولا تتحرك إلا على مدار اليوم بما يعادل حوالي ثانية واحدة خلال 3 ملايين سنة (على الرغم من أن هذا لا يزال، حتى الآن، أقل من استقرار أفضل الساعات الذرية الضوئية، التي تكسب أو تفقد ثانية واحدة). كل 40 مليار سنين).