العلماء يحققون قفزة تكنولوجية بتوقيت ذري.. تعرف على أدق ساعة في التاريخ

في عصر يهيمن عليه التقدم التكنولوجي، قد لا يبدو التوقيت بالغ الأهمية للوهلة الأولى، لكن خلف كل تطبيق ملاحة، وكل تجربة فيزيائية دقيقة، بل وحتى أنظمة "جي بي إس"، هناك عنصر واحد يتحكم بدقة الزمن: الساعات الذرية.

وفي إنجاز علمي غير مسبوق، نجح علماء من المعهد الوطني للمعايير والتقنية الأميركي (NIST) في تصميم أدق ساعة في العالم، بدقة مذهلة تصل إلى 19 منزلة عشرية، أي أنها قادرة على قياس الزمن بأجزاء دقيقة تعادل 0.0000000000000000001 من الثانية، وهو تقدم يتجاوز الرقم القياسي السابق بنسبة 41%، وفقًا لدراسة نشرت في دورية Physical Review Letters.

الألمنيوم.. قلب الساعة الجديدة

لتحقيق هذا الإنجاز، اعتمد الفريق على أيون ألمنيوم محاصر إلكترونيًا كمصدر تذبذب دقيق ومستقر، نظراً لخصائصه الاستثنائية، أبرزها أن تردداته تصل إلى مستوى التيراهرتز، ما يتيح تقسيم الثانية إلى تريليونات الأجزاء. كما يتميّز هذا العنصر بمقاومته العالية للتأثيرات البيئية مثل الحرارة والمجالات المغناطيسية.

لكن التحكم المباشر بالألمنيوم يُعد تحديًا معقدًا، لذا استخدم الباحثون تقنية "سبكترسكوبيا منطق الكم"، حيث جرى دمج الألمنيوم مع أيون مغنسيوم أكثر استقرارًا وسهولة في التبريد، مما يسمح بمراقبة وتحليل حالة الألمنيوم بدقة عالية.

مصيدة أيونية وحارس كمومي

تم وضع الأيونين في مصيدة أيونية دقيقة جعلتهما يهتزان معًا كما لو كانا على نابض مشترك. يُبرَّد المغنسيوم باستخدام ليزر فائق الدقة، ما يؤدي لتجميد حركة الألمنيوم المرتبط به، بينما تُستخدم إشارات المغنسيوم كمصدر للمعلومات عن تذبذبات الألمنيوم.

هذا النظام المركب، رغم تعقيده، أتاح تحقيق ثبات غير مسبوق في قياس الزمن. وحتى التحديات التقنية، مثل الحركة الزائدة في المصيدة، تم التغلب عليها من خلال تصميمات جديدة تعتمد على رقائق ألماس وطبقات ذهبية، إضافة إلى بيئة مفرغة من التيتانيوم قللت من التلوث بـ150 ضعفًا.

إعادة تعريف الزمن

هذا التقدم يفتح الباب أمام إعادة تعريف مفاهيم الزمن نفسها. ففي حين يعتمد النظام العالمي للوحدات حاليًا على ذبذبات ذرة السيزيوم، فإن الساعات الجديدة أكثر دقة بمرات عديدة، ومن المرجح أن تصبح الأساس لتعريف "الثانية" في المستقبل.

وتكمن أهمية هذا التطور في تطبيقاته العملية. فأنظمة تحديد المواقع GPS، والطائرات ذاتية القيادة، والرحلات الفضائية العميقة، كلها تعتمد على توقيت دقيق للغاية. فأي انحراف بمليار جزء من الثانية يمكن أن يؤدي إلى خطأ في تحديد الموقع يصل إلى 30 سنتيمتراً.

من الكم إلى النجوم

كما تُمكّن هذه الساعات العلماء من دراسة تأثيرات النظرية النسبية على مستويات ميكروسكوبية، ورصد اختلافات الجاذبية بين نقاط الارتفاع القريبة، وحتى تتبع الإشارات من النجوم النابضة وموجات الجاذبية.

علاوة على ذلك، فإن هذا المستوى من التحكم الدقيق في الزمن ضروري لبناء مستقبل تقني يعتمد على أنظمة كمومية متقدمة، مثل الحواسيب الكمومية وشبكات الاتصال الآمن القائمة على فيزياء الكم.

وفي مختبرات الفيزياء الأساسية، تفتح هذه الدقة آفاقًا جديدة لقياس المسافات والأزمنة على المقاييس الذرية، ما يُمكّن العلماء من سبر أعماق الكون بدقة غير مسبوقة.