الساعة الذرية: كيف تقيس أدق ساعة في العالم الزمن؟

كيف تعمل الساعة الذرية؟

تعمل الساعة الذرية بمبدأ بسيط حيث يتم تعريض مجموعة من ذرات عنصر معين وغالباً هو عنصر السيزيوم-133 لموجات ميكروويف بتردد معين.
فإذا كان التردد مطابقاً تماماً لتردد رنين الذرة تنتقل الإلكترونات بين مستويي الطاقة بأكبر عدد ممكن أما إذا كان التردد غير دقيق ينخفض عدد الذرات المنتقلة فتكتشف الساعة الخلل وتصحح نفسها تلقائياً.
هذا التصحيح الذاتي المستمر هو ما يجعل الساعة الذرية تختلف جذرياً عن ساعة الكوارتز العادية التي تنحرف تدريجياً بمرور الوقت دون أن تصحح نفسها.

تاريخ مختصر للساعة الذرية

أول من اقترح فكرة استخدام الانتقالات الذرية لقياس الزمن كان اللورد كلفن عام 1879م لكن الفكرة بقيت نظرية لعقود طويلة والخطوة العملية الحاسمة جاءت عام 1930م حين اكتشف الفيزيائي إيسيدور رابي ظاهرة الرنين المغناطيسي مما مهّد الطريق لتحويل الفكرة إلى جهاز حقيقي.
وفي عام 1949م بُني أول جهاز ساعة ذرية تجريبي في الولايات المتحدة، قبل أن ينجح فريق بريطاني في المختبر الوطني للفيزياء عام 1955م في بناء أول ساعة سيزيوم دقيقة وعملية بالفعل.
ومنذ ذلك الحين تطورت هذه التقنية بشكل مذهل فبينما كان معدل الخطأ في الستينيات ثانيةً واحدة كل 300 سنة تقريباً أصبح اليوم مع أحدث الساعات مثل NIST-F2 الأمريكية أقل من ثانية واحدة كل 300 مليون سنة.

أين تُستخدم الساعة الذرية في حياتنا؟

قد يظن كثيرون أن الساعة الذرية أداة مختبرية بعيدة عن الحياة اليومية لكن الحقيقة عكس ذلك تماماً فهذه الساعات هي التي تضبط التوقيت العالمي المنسق UTC وهو الأساس الذي يُبنى عليه كل توقيت مدني في العالم اليوم.

ساعة Nist F1 الذرية

كذلك تعتمد أقمار نظام تحديد المواقع العالمي GPS على ساعات ذرية دقيقة جداً محمولة على متنها، لأن حساب موقعك بدقة يتطلب قياس الوقت الذي تستغرقه الإشارة للوصول من القمر الصناعي إلى هاتفك بدقة أجزاء من المليار من الثانية وأي خطأ بسيط في هذه الساعات قد يترجم إلى انحراف بعشرات الأمتار في تحديد الموقع.

نحتاج إلى ساعة بهذا المستوى من الدقة في حياتنا اليومية لأن الأنظمة كالـ GPS والأسواق المالية والشبكات العالمية تعتمد على مزامنة دقيقة جداً بين ملايين الأجهزة وأي خطأ بسيط في التوقيت قد يتحول إلى أخطاء كبيرة في تحديد المواقع أو تنفيذ المعاملات المالية.

كما تلعب الساعات الذرية دوراً محورياً في الشبكات المصرفية والاتصالات وأنظمة الإنترنت، إذ تحتاج هذه الأنظمة إلى مزامنة دقيقة جداً بين ملايين الأجهزة حول العالم في آنٍ واحد.

أنواع الساعات الذرية

أشهر أنواع الساعات الذرية هي ساعة السيزيوم وهي الأكثر دقة والأكثر استخداماً كمرجع رسمي عالمي إضافة إلى ساعة الروبيديوم التي تُعد أقل دقة نسبياً لكنها أرخص بكثير وأصغر حجماً مما يجعلها مناسبة للاستخدامات التجارية كالأقمار الصناعية العادية وبعض الأجهزة الصناعية.
وهناك أيضاً الساعات الذرية الضوئية (Optical Clocks) الحديثة التي تعتمد على ذرات كالسترونتيوم أو الإيتربيوم وتتفوق في الدقة على ساعات السيزيوم التقليدية بعشرات المرات.

الساعات النووية الجيل الجديد من الساعة الذرية

لم يتوقف العلماء عند حدود الساعة الذرية حيث تمكن مؤخراً فريقان مستقلان من الباحثين أحدهما في أوروبا من جامعة فيينا التقنية والآخر في الصين من جامعة تسينغهوا من بناء أول نموذج عملي لما يُعرف بالساعة النووية وذلك باستخدام ذرات الثوريوم-229. وهنا يوجد فرق جوهري هو أن هذه الساعات الجديدة لا تعتمد على تذبذب إلكترونات الذرة كما في الساعات الذرية إنما على تغيرات الطاقة داخل نواة الذرة نفسها.
وما يجعل هذا الإنجاز مهماً هو أن النواة محمية بعمق داخل الذرة بعيداً عن أي تأثيرات خارجية قد تربك القياس، بعكس الإلكترونات التي تقع في الأطراف الخارجية وتكون أكثر عرضة للتشويش.
ولهذا يرى الفيزيائيون أن الساعة النووية قد تتفوق يوماً ما على أدق الساعات الذرية الحالية وقد تصبح أداة قوية لدراسة ظواهر غامضة مثل المادة المظلمة والتحقق من ثبات القوانين الفيزيائية الأساسية للكون.

الزمن يخفي طبيعة كمومية؟

وفي سياق متصل كشفت دراسة حديثة نشرها فريق من الفيزيائيين من بينهم الباحث إيغور بيكوفسكي من معهد ستيفنز للتكنولوجيا أن الساعات الذرية الضوئية فائقة الدقة قد تكون قادرة على كشف جانب لم يُلاحَظ من قبل في طبيعة الزمن نفسه.
فبحسب النظرية الكمومية قد لا يسير الزمن بمعدل واحد ثابت دائماً بل قد توجد أزمنة متعددة متراكبة في آنٍ واحد بحيث تسجل الساعة الواحدة أكثر من قيمة زمنية في اللحظة نفسها بفوارق دقيقة جداً تُقاس بأجزاء من المليار من المليار من الثانية.
هذا الطرح فتح باباً جديداً كلياً أمام الفيزياء إذ قد يقدّم أول دليل تجريبي على أن الزمن مثل بقية الظواهر الكمومية يمكن أن يخضع لمبدأي التراكب والتشابك الكمومي وهو ما لم يُختبر عملياً من قبل بسبب محدودية دقة الأدوات المتاحة قبل ظهور الساعات الذرية الحديثة.