كيف تساهم الحسابات الكمومية في جعل الساعات الذرية أكثر دقة

يمكن أن تساعد الحسابات الجديدة لكيفية تضخم الذرات عند تسخينها في جعل الجيل التالي من الساعات الذرية أكثر دقة بعشر مرات، حيث أن ساعة المنطق الكمومي التي طورت العام الماضي في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في بولدر بولاية كولورادو هي بطل الدقة الحالي، حيث تحافظ على الوقت في غضون ثانية كل 3.7 مليار سنة، في المستقبل.

كيف يمكن للحسابات الكمومية أن تزيد دقة الساعات الذرية

إن الساعات المستقبلية التي تستخدم التحسينات الجديدة ستكون دقيقة لمدة ثانية كل 32 مليار سنة – أكثر من ضعف عمر الكون، إذ تعتمد هذه الساعات فائقة الدقة على الاهتزازات السريعة لأيون ألومنيوم واحد، وهو ذرة فقدت إلكترونًا واحدًا محتجزة في فراغ ومحصورة بواسطة الحقول الكهرومغناطيسية، وتشكل الإلكترونات المتبقية غلافًا حول نواة الذرة.

قال الفيزيائي تيل روزنباند من المعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST)، الذي بنى ساعة المنطق الكمومي الحالية، أنه باستخدام نبضة ليزر يمكن النقر على تلك القذيفة وجعلها ترن مثل الجرس، حيث يهتز الجرس بضع مئات من المرات في الثانية، وفي نطاق سمع الإنسان يهتز أيون الألومنيوم بمعدل 1.1 كوادريليون مرة في الثانية، حيث أن هذه الاهتزازات تحول الأيونات إلى نوع من المسرع فائق السرعة.

وقال العالم روزنباند، لأنه يرن بسرعة كبير فإنه يقسم الوقت إلى فترات زمنية أصغر بكثير، وهذا يسمح لها بالحفاظ على الوقت بدقة متناهية، ولسوء الحظ فإن التعريف القياسي للثانية يعتمد على ما تفعله الذرة عند درجة حرارة الصفر المطلق، حيث يجب أن تعمل الساعات الحقيقية في درجة حرارة الغرفة، إذ تنتفخ قشرة الإلكترونات.

تستجيب الإلكترونات لإشعاع الجسم الأسود، وهو مجال حراري دقيق يتخلل الفضاء، ويقول أحد العلماء بأنه تهتز الأيون المسخن بتردد مختلف قليلاً، مما يجعل الساعة أقل دقة، وحتى الآن لم يعرف الفيزيائيون كم كانت أقل دقة، وبالنسبة للجيل القادم من ساعات الألمنيوم الأيونية أعتقد أنه من الضروري معرفة ماهية هذا التحول، حيث تم عرض النتائج في 6 مايو في مؤتمر الليزر والبصريات الكهربائية في بالتيمور.

خصائص الألمونيوم المميزة في الساعات الذرية

• بسبب الخصائص المميزة في التركيبة الذرية للألمونيوم غير حساس بشكل خاص لتغيرات درجة الحرارة فهو حوالي 1000 مرة أقل حساسية من السترونشيوم، وهو أحد المرشحين الرئيسيين الآخرين للساعات الذرية، لكن عدم حساسيته يعني أن التحول يكاد يكون أصغر من أن يتم قياسه ومعقد لحسابه.

• من خلال الجمع بين تقنيتين مختلفتين بطريقة جديدة طور العالم سافرونوفا وزملاؤه نهجًا جديدًا لحساب التحول بناءً على الفيزياء الأساسية، إذ نظرت إحدى التقنيات في الطريقة التي يتفاعل بها الإلكترونان الخارجيان في أيون الألومنيوم مع بعضهما البعض، والأخرى نظرت في كيفية تفاعل هذه الإلكترونات مع الإلكترونات الداخلية والنواة، وأن المبادئ الأولى من الفهم الأساسي لميكانيكا الكم والذرات تكون دون وضع أي مدخلات تجريبية لضبط الحسابات.

• يُظهر الحساب الجديد أنه في درجة حرارة الغرفة، حيث تكون ساعة أيون الألومنيوم حساسة للتغيرات في درجة الحرارة التي تبلغ 57 جزءًا من المليون من الدرجة المئوية أو 5.7 × 10-20 ^درجة، وبالمقارنة فإن ساعة اليد الكوارتز حساسة لحوالي جزء من المليون من الدرجة ، أو 10 ^-6 درجات.

التطبيقات الواقعية باستخدام الساعات الذرية

يُنظر إلى الساعات الكمية، أو الذرية على نطاق واسع على أنها ضرورية للمقاربات الدقيقة بشكل متزايد في مجالات مثل الاتصالات عبر الإنترنت في جميع أنحاء العالم، أو أنظمة الملاحة أو التجارة العالمية في الأسهم، حيث يمكن أن تحدث أجزاء من الثواني فرقًا اقتصاديًا كبيرًا، ويمكن أن تكون الساعات الذرية ذات ترددات الساعة الضوئية أكثر دقة بـ 10000 مرة من نظيراتها في الميكروويف، مما يفتح إمكانية إعادة تعريف وحدة القياس القياسية (SI).

يمكن للساعات الضوئية الأكثر تقدمًا أن تحدث يومًا ما فرقًا كبيرًا في كل من الحياة اليومية والعلوم الأساسية، ومن خلال السماح بفترات أطول بين الحاجة إلى إعادة المزامنة مقارنةً بأنواع الساعات الأخرى، فإنها توفر مرونة أكبر للبنية التحتية الوطنية للتوقيت وتفتح تطبيقات تحديد المواقع والملاحة المستقبلية للمركبات ذاتية القيادة.

إذ يمكن أن تساعد الدقة التي لا مثيل لها لهذه الساعات أيضًا في رؤية ما وراء النماذج القياسية للفيزياء وفهم بعض الجوانب الأكثر غموضًا في الكون، بما في ذلك المادة المظلمة والطاقة المظلمة، حيث ستساعد مثل هذه الساعات أيضًا في معالجة الأسئلة الفيزيائية الأساسية مثل ما إذا كانت الثوابت الأساسية هي حقًا ثوابت أم أنها تختلف مع الوقت.

إن استقرار ودقة الساعات الضوئية تجعلها حاسمة للعديد من شبكات المعلومات والاتصالات المستقبلية، وبمجرد أن يكون هناك نظام جاهز للاستخدام خارج المختبر يمكن استخدامه، على سبيل المثال شبكات الملاحة الأرضية، حيث يتم توصيل جميع هذه الساعات عبر الألياف الضوئية والبدء في التحدث مع بعضها البعض، إذ ستقلل مثل هذه الشبكات من اعتمادنا على أنظمة (GPS)، والتي يمكن أن تفشل في بعض الأحيان.

على الرغم من أن هذه الساعات الكمومية تتقدم بسرعة، إلا أن العوائق الرئيسية التي تحول دون نشرها هي حجمها، حيث تأتي النماذج الحالية في شاحنة صغيرة أو في مقطورة سيارة ويبلغ حجمها حوالي 1500 لتر، وحساسيتها للظروف البيئية تحد من نقلها بين أماكن مختلفة.