كيف تساهم الساعات الذرية في حل لغز المادة المظلمة

المادة المظلمة هي لغز ابتلي بالباحثين لعقود، إذ يمثل هذا الجوهر المجهول 85٪ من كل المادة في الكون، وعلى الرغم من إمكانية ملاحظة آثاره، إلا أنه لم يتم اكتشافه بشكل مباشر، ويتعاون الخبراء لحل هذا اللغز الطويل الأمد عن طريق إرسال ساعات ذرية إلى الفضاء.

استخدام الساعات الذرية في الفضاء

تخبر الساعات الذرية الوقت عن طريق قياس التذبذبات السريعة للذرات وتستخدم بالفعل في الفضاء لتمكين نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وفي المستقبل يمكن أن تساعد الساعات الفضائية في التنقل في المركبات الفضائية وتوفير روابط للديوك الأرضية.

تحدد جميع الساعات الوقت باستخدام شكل من أشكال العمليات المتكررة مثل البندول المتأرجح، ومع ذلك تستخدم الساعات الذرية تقنية الليزر لمعالجة وقياس تذبذبات الذرات السريعة للغاية، على سبيل المثال ساعة تعتمد على ذرات السترونشيوم تدق 430 تريليون مرة في الثانية، والساعات الذرية أكثر دقة بكثير من أي أجهزة ميكانيكية.

تاريخيًا، يمكن للساعات الذرية أن تغطي حجم طاولتين، لكن التطورات الحديثة في الدقة وإمكانية النقل تعني أن بعض الساعات الذرية يمكن أن تتناسب الآن مع شاحنة، مع كون الساعة الذرية للفضاء العميق التابعة لوكالة ناسا أصغر حجمًا، بحجم محمصة خبز.

ومع ذلك فقد تم تطوير أنواع مختلفة من الساعات استنادًا إلى ترددات أعلى بكثير، على مدار الخمسة عشر عامًا الماضية، مثل الساعات الضوئية التي تعتبر بأحجام أكبر دقة ولن تفقد حتى ثانية من الوقت على مدى مليارات السنين.

كيفية كشف الخصائص الغامضة للمادة المظلمة

سيرسل البحث المقترح ساعات فضائية أقرب إلى الشمس من عطارد، وهي منطقة يعتقدون أن فيها المزيد من المادة المظلمة التي يجب اكتشافها، وتشمل هذه الساعات الذرية والنووية والجزيئية التي يتم تطويرها حاليًا والمعروفة باسم أجهزة الاستشعار الكمومية.

قال علماء الفيزياء ات هذا مستوحى من مسبار باركر الشمسي، وهي مهمة ناسا المستمرة التي أرسلت مركبة فضائية أقرب إلى الشمس أكثر من أي مركبة فضائية أخرى ذهبت من قبل، إذ لا علاقة له بأجهزة الاستشعار أو الساعات الكمومية، لكنه أظهر أنه يمكن إرسال قمر صناعي قريب جدًا من الشمس واستشعار الظروف الجديدة والتوصل إلى اكتشافات، وهذا أقرب بكثير إلى الشمس.

إن الهدف من الدراسة هو التحقيق في المادة المظلمة الخفيفة للغاية، والتي يعتقد الباحثون أنها يمكن أن تشكل منطقة شبيهة بالهالة الضخمة مرتبطة بالشمس، حيث يمكن أن تتسبب المادة المظلمة فائقة الخفة في تذبذب طاقات الذرات، مما يغير طريقة دقات الساعة، على الرغم من أن هذا التأثير يعتمد على الذرات التي تستخدمها الساعة، ثم يراقب الباحثون الاختلافات في الساعات للبحث عن المادة المظلمة.

إن المادة المظلمة لها خصائص محددة جدًا، وهي مادة مظلمة محددة جدًا يمكن اكتشافها بواسطة الساعات، إذ ما يمكن ملاحظته هو نسبة هذين الترددين على مدار الساعة، حيث يجب أن تتأرجح هذه النسبة في حالة وجود مثل هذه المادة المظلمة، وتبين أن الساعات النووية، التي تعتمد على مستويات الطاقة النووية بدلاً من مستويات الطاقة الذرية قد تكون أفضل ساعة لهذا البحث.

حل لغز المادة المظلمة باستخدام الساعات الذرية

إن المادة المظلمة، هو الاسم الذي أطلقه الفيزيائيون على المكون الغامض للكون، والذي يعد وجوده وتأثيره ثقالي، وهو ضروريًا لشرح حركة النجوم داخل المجرات بشكل كامل، حيث تشير التقديرات إلى أن حوالي 27 بالمائة من إجمالي كتلة الكون وطاقته قد تتكون من مادة مظلمة، وما يصل إلى 85 بالمائة من كتلتها وحدها، وعلى الرغم من ذلك، لم يتم الكشف عن المادة المظلمة بشكل مباشر.

يعتقد العلماء، مع ذلك أن جسيمات المادة المظلمة ذات الكتل الصغيرة جدًا قد تكون قادرة على إحداث تذبذبات في ثوابت الطبيعة ذاتها، وعلى وجه التحديد، يُعتقد أن ما يسمى بالمادة المظلمة للغاية يمكن أن يغير كتلة الإلكترون وقوة التفاعل للقوة الكهرومغناطيسية، والنتيجة هي أن المادة المظلمة يجب أن تغير بشكل طفيف التحولات المتضمنة بين الحالات المختلفة في كل من الذرات والنواة.

هذا هو المكان الذي تأتي فيه الساعات الذرية، حيث تحافظ هذه الساعات المتقدمة على المسار الصحيح من خلال قياس إثارة الذرات بعناية، إذ أن الدافع وراء ذلك هو قصف الذرات بالفوتونات الناتجة عن رنين بلورة كوارتز تمامًا مثل تلك الموجودة في الساعات التي قد تكون لديك في المنزل.

وتعتبر بلورات الكوارتز مناسبة للساعات التقليدية، ولكن معدل اهتزازها يمكن أن يتأثر بالظروف البيئية، حيث تفقد ما يصل إلى جزء من المليار من الثانية كل ساعة، إذ تقوم الساعات الذرية بالتصحيح الذاتي باستخدام بلورة كوارتز مضبوطة على التردد الدقيق اللازم لإنشاء موجات ميكروويف يمكنها إثارة عنصر ذري معين.

يتم إطلاق هذه الموجات الدقيقة على الذرات، ويتحقق الكاشف المغناطيسي من أن ما يكفي من الذرات متحمس بالفعل في حالة طاقة أعلى، فإذا لم يتم تحقيق ذلك، فإن النظام يعرف أنه يحفز مذبذب الكوارتز لإعادة اهتزازاته إلى المسار الصحيح، ومع إبقاء المذبذب على التردد الصحيح يمكن للمرء بعد ذلك عد كل اهتزاز من البلورة لتحديد مرور الوقت، بنفس الطريقة التي تستخدم بها الساعات الكلاسيكية قياس تذبذبات البندول.