یک ثانیه در 30 میلیارد سال!
شایان اله‌آبادی
ساعتی را تصور کنید که آن‌قدر دقیق تیک‌تاک می‌کند که حتی پس از 30 میلیارد سال هم ثانیه‌ای را از دست نمی‌دهد و خطا ندارد. چندی قبل دانشمندان اتریشی موفق به ساخت نخستین ساعت هستهای جهان شده‌اند که بر اساس پرش‌های انرژی در هسته اتم توریم زمان را اندازه‌گیری می‌کند. جالب این جاست که محققان برای اولین بار با استفاده از یک لیزر رومیزی موفق شدند هسته اتم را به سطح بالاتری از انرژی ببرند که راه را برای ساخت اولین ساعت هستهای هموار ساخت. این فناوری نوین، دقت بی‌سابقه‌ای در مقایسه با ساعت‌های اتمی موجود دارد و می‌تواند زمینه‌ساز کاربردهای پیشرفته در علوم دقیقی مانند ناوبری فضایی و سیستم‌های جی‌پی‌اس باشد. این ساعت نه تنها می‌تواند اندازه‌گیری زمان بسیار دقیق‌تری را نسبت به ساعت‌های قبلی امکان‌پذیر کند، بلکه در محاسبات مربوط به سایر کمیت‌های فیزیکی هم کاربردهای جذابی خواهد داشت. در این مطلب سراغ کاربردهای جالب این ساعت و جزئیات مربوط به فناوری آن رفتیم.
کاربردهای اولین ساعت هستهای جهان
شاید از خودتان بپرسید داشتن ساعتی با این دقت بالا چه کاربردی می‌تواند داشته باشد؟ ماجرا از این قرار است که در بسیاری از زمینه‌های تحقیقاتی، از زمین‌شناسی گرفته تا اخترفیزیک، فناوری ساعت هستهای توریم می‌تواند پیشرفت‌های مهمی را به همراه داشته باشد. اکنون می‌توان از این دقت فوق‌العاده برای مطالعه قوانین اساسی طبیعت استفاده کرد.
تفاوت ساعت هستهای با ساعت‌های معمولی
ساعت‌های معمولی، مانند ساعت‌های مچی، از یک نوسانگر کریستال کوارتز برای محاسبه زمان استفاده می‌کنند. با این حال برای اندازه‌گیری‌های پیچیده، مانند بررسی موقعیت فضاپیماها، دقتی فراتر از این مورد نیاز است. ساعت‌های اتمی برای این دقت‌های بالاتر و دوره‌های زمانی طولانی بسیار قابل اتکا هستند، به این معنی که دانشمندان می‌توانند برای انجام برخی از اندازه‌گیری‌های حساس به آن‌ها اعتماد کنند. ساعت‌های اتمی از نور لیزر استفاده می‌کنند تا الکترون‌هایی را که به دور اتم‌ها می‌چرخند بین سطوح انرژی بپرند و جایگزین عملکرد آونگ برای اندازه‌گیری زمان شوند. اما برای به دست آوردن هستهای که انرژی لازم را برای اندازه‌گیری زمان در اختیار بگذارد، دانشمندان معمولاً باید هسته را با نوعی اشعه ایکس که به طور خاص ساخته شده است منفجر می‌کنند.
کاربردهای ساعت‌های اتمی
طی سال‌ها ساعت‌های اتمی دقیق‌ترین ابزار برای اندازه‌گیری گذر زمان بودند که با رونمایی از اولین ساعت هستهای جایگاه‌شان را در خطر می‌بینند. برای دهه‌ها، ساعت‌های اتمی در فناوری‌های جی‌پی‌اس، برای اکتشاف فضا و برای حفظ زمان بین‌المللی استفاده می‌شوند. ساعت‌های اتمی بر اساس فیزیک الکترون‌ها در پیرامون اتم‌ها استوار هستند. در داخل این ساعت‌ها اتم‌ها و الکترون‌ها در سطوح خاص و منفرد از انرژی قرار دارند. برای این‌که یک الکترون با جهش به یک سطح بالاتری از انرژی برسد، لازم است مقدار مشخصی انرژی از یک لیزر به آن وارد شود. آن انرژی با یک فرکانس خاص از نور لیزر مطابقت دارد. دانشمندان برای بهبود این کار، لیزر را به سمت مجموعه‌ای از اتم‌ها هدف گیری کرده و فرکانس لیزر را اسکن می‌کنند تا زمانی که الکترون‌ها اقدام به جهش کنند. سپس آن فرکانس مانند یک میزانه‌شمار یا مترونوم اتمی برای نگه داشتن زمان استفاده می‌شود. با این حال، ساعت‌های اتمی نیز در برابر از دست دادن همگام‌سازی آسیب‌پذیر هستند. اختلالات الکترومغناطیسی می‌توانند الکترون‌های برانگیخته را مختل کنند و بر دقت زمان‌سنجی تأثیر بگذارند. از این‌جاست که ایده و ضرورت ساخت ساعت هستهای پیش می‌آید.
ساعت هستهای وارد می‌شود
ساعت هستهای نوع جدیدی از دستگاه زمان‌سنجی کوانتومی است که از سیگنال‌های هسته یا هسته‌اتم استفاده می‌کند. دانشمندان از یک لیزر فرابنفش ویژه طراحی شده برای اندازه‌گیری دقیق فرکانس پرش انرژی در هسته‌های توریم که در یک کریستال جامد تعبیه شده است، استفاده کردند. آن‌ها همچنین از یک شانه فرکانس نوری استفاده کردند که مانند یک خط‌کش نور بسیار دقیق عمل می‌کند تا تعداد چرخه‌های امواج فرابنفش را که این پرش انرژی را ایجاد می‌کند، بشمارند. گونه‌ای از عنصر «توریم» با نام «توریم ۲۲۹» جهش انرژی اندکی دارد که برای لیزر قابل دسترس است. به نظر می‌رسد، ساعت هستهای رونمایی شده دقیق‌تر از بهترین ساعت‌های اتمی امروزی نیست، اما آن‌ها تا چند سال دیگر از دستگاه‌های زمان‌سنج اتمی پیشی خواهند گرفت.
دقت بیشتر و نویز کمتر
ساعت‌های اتمی از لیزر برای انتقال الکترون‌های اتم به سطوح انرژی بالاتر استفاده می‌کنند، در حالی که ساعت هستهای جدید با بهره‌گیری از پرش‌های انرژی در هسته اتم عمل می‌کند. یکی از مزایای اصلی ساعت هستهای این است که نویز کمتری نسبت به ساعت‌های اتمی دارد، زیرا دیگر تحت تأثیر میدان‌های الکترومغناطیسی مزاحم قرار نمی‌گیرد. برای تحریک پرش‌های انرژی در هسته، معمولاً نیاز به اشعه ایکس خاصی وجود دارد، اما در ساعت هستهای جدید از نور فرابنفش استفاده می‌شود که در هسته اتم توریم کافی است. تیم تحقیقاتی به رهبری تورستن شوم از دانشگاه فناوری وین موفق به اثبات عملکرد اولیه این ساعت شده‌اند. اگرچه این ساعت هنوز دقیق‌تر از ساعت‌های اتمی موجود نیست، تورستن شوم معتقد است که در آینده‌ای نزدیک این فناوری می‌تواند از ساعت‌های اتمی پیشی بگیرد. او این پیشرفت را با اولین خودروهایی مقایسه کرد که از نظر سرعت بهتر از اسب‌ها نبودند، اما مفهومی جدید را معرفی کردند. بد نیست بدانید ساعت هستهای جدید همچنین نسبت به ساعت اتمی سر و صدای کمتری خواهد داشت، زیرا عملکرد آن به اندازه‌گیری الکترون‌ها متکی نیست. امری که می‌تواند توسط میدان‌های الکترومغناطیسی اشتباه تولید شود و آزاردهنده باشد.
هر ۳۰ میلیارد سال تنها یک ثانیه
تورستن شوم، فیزیکدان دانشگاه صنعتی وین و یکی از اعضای تیم محققان، درباره اتم توریم گفت: «توریم می‌تواند به عنوان یک زمان‌سنج برای اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق استفاده شود و این را ما با اولین نمونه ثابت کردیم.» ساعت هستهای تازه رونمایی شده دقیق‌تر از بهترین ساعت‌های اتمی امروزی نیست، اما دکتر شوم می‌گوید که آن‌ها تا چند سال دیگر از دستگاه‌های زمان‌سنج اتمی پیشی خواهند گرفت. شوم اضافه کرد: «هدف ما توسعه یک فناوری جدید بود؛ هنگامی که آن وجود دارد، افزایش کیفیت به طور طبیعی اتفاق می افتد. اولین ماشین‌ها سریع‌تر از کالسکه‌ها نبودند و در آن مقطع‌زمانی همه چیز در مورد معرفی یک مفهوم جدید بود. این دقیقاً همان چیزی است که ما اکنون با ساعت هستهای به آن دست یافته‌ایم.»