نوع جديد من الساعات الذرية يمكن أن يساعد العلماء في دراسة تأثير الجاذبية على الوقت
يمكن لنوع جديد من الساعات الذرية أن تحافظ على الوقت الدقيق في غضون عُشر ثانية، إذا تُركت لتعمل لمدة 14 مليار سنة – تقريبا العمر الحالي للكون.
ويستفيد تصميم الخبراء الأمريكيين من ظاهرة غريبة تسمى التشابك الكمومي، حيث ترتبط الجسيمات ارتباطا وثيقا.
وأوضح الباحثون أن هذا التشابك يساعد في تقليل عدم اليقين الذي ينطوي عليه قياس تذبذب الذرات التي تستخدمها الساعات الذرية للحفاظ على الوقت.
ويمكن استخدام الساعة للمساعدة في الكشف عن “المادة المظلمة”، التي يعتقد أنها تشكل أكثر من ثلاثة أرباع الكون – ودراسة تأثير الجاذبية على الوقت.
وقال معد الورقة البحثية والمهندس الكهربائي، إدوين بيدروزو بينافيل، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “سيكون للساعات الذرية الضوئية المعززة بالتشابك القدرة على الوصول إلى دقة أفضل في ثانية واحدة من أحدث الساعات البصرية الحالية”.
وتستخدم الساعات الذرية أشعة الليزر لقياس التذبذبات المنتظمة لسحب الذرات – أكثر الأحداث الدورية استقرارا التي يمكن للعلماء مراقبتها حاليا.
ومن الناحية المثالية، يمكن للمرء استخدام حركة ذرة واحدة. ومع ذلك، على المقاييس الذرية، تلعب القواعد الغريبة لميكانيكا الكم دورا هاما – والقياسات تخضع لاحتمالات يجب حساب متوسطها للحصول على بيانات موثوقة.
ويوضح معد الورقة البحثية والفيزيائي سيمون كولومبو، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “عندما تزيد عدد الذرات، فإن المتوسط الذي تعطيه كل هذه الذرات يتجه نحو شيء يعطي القيمة الصحيحة”.
وتأخذ الساعات الذرية الحالية قياسات من آلاف الذرات فائقة التبريد – والتي يتم حصرها في “مصيدة” ضوئية باستخدام الليزر وتُفحص بواسطة ليزر مختلف تردده مماثل لتردد اهتزازات الذرات التي يتم قياسها.
ومع ذلك، حتى هذا النهج يخضع لدرجة من عدم اليقين الكمومي – ولكن، كما أظهر الفريق، يمكن القضاء على بعضه عن طريق التحول إلى التشابك الكمي، حيث تعطي مجموعات الذرات قياسات مترابطة.
وأوضح الباحثون أن هذا يعني أن التذبذبات الفردية للذرات المتشابكة تتقلص حول تردد مشترك، ما يزيد من دقة القياسات التي تتخذها الساعة.
وفي تصميمهم الجديد، قام الدكتور بيدروزو بينافيل وزملاؤه بتشبيك حوالي 350 ذرة من عنصر الأرض النادر الإيتربيوم، الذي يتأرجح 100000 مرة في الثانية أكثر من السيزيوم، العنصر المستخدم في الساعات الذرية التقليدية.
وهذه الحقيقة تعني أنه – إذا تم تتبعها بدقة – يمكن للساعة الجديدة أن تميز حتى الأجزاء الداخلية الأصغر من الوقت.
وكما هو الحال مع الساعة الذرية العادية، حاصر الفريق الذرات في تجويف ضوئي محاط بمرآتين – ثم أطلقوا ليزرا عبر التجويف بحيث ارتد بين المرآتين، متفاعلا بشكل متكرر مع الذرات وشابكها.
وقال الفيزيائي تشي شو، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أيضا: “يبدو الأمر كما لو أن الضوء يعمل كحلقة وصل بين الذرات. الذرة الأولى التي ترى هذا الضوء ستعدل الضوء قليلا، وهذا الضوء يعدل أيضا الذرة الثانية، والذرة الثالثة، ومن خلال العديد من الدورات، تعرف الذرات بعضها البعض بشكل جماعي وتبدأ في التصرف بشكل مشابه”.
واستخدم الفريق بعد ذلك ليزرا آخر لقياس متوسط تواتر الذرات – على غرار الطريقة المستخدمة في الساعات الذرية الحالية. ووجد الفريق أن التشابك سمح للساعة بالوصول إلى الدقة المطلوبة أربع مرات أسرع.
وقال الفيزيائي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، فلادان فوليتيك: “يمكنك دائما جعل الساعة أكثر دقة عن طريق القياس لفترة أطول”.
وأضاف البروفيسور فولتيك أن تصميم الساعة الجديد يمكن استخدامه لمعالجة أسرار الكون المختلفة بشكل أفضل.
