إن الوقت ضروري لأداء حياتنا اليومية: من الساعات التي نرتديها على معاصمنا إلى أنظمة تحديد المواقع العالمية في هواتفنا. وتعتمد أنظمة الاتصالات وشبكات الطاقة والمعاملات المالية جميعها على التوقيت الدقيق. والثواني هي وحدات القياس الحيوية في ضبط الوقت.
من المثير للدهشة أن الجدل لا يزال قائمًا حول تعريف الثانية. ولكن التطورات الأخيرة في أكثر أشكال قياس الوقت دقة في العالم ربما غيرت قواعد اللعبة.
كان ضبط الوقت بدقة جزءًا من التطور الاجتماعي للبشرية على الدوام. ففي نصب نيوجرانج التذكاري الذي يعود إلى العصر الحجري الحديث في أيرلندا، تسمح فتحة خاصة فوق المدخل لأشعة الشمس بإضاءة الممر والغرفة في أقصر أيام السنة، حوالي الحادي والعشرين من ديسمبر، وهو الانقلاب الشتوي.
قبل نحو 2300 عام، قال أرسطو إن “دوران الكرة الخارجية للسماء” ينبغي أن يكون المرجع لقياس الوقت. وكان الفيلسوف اليوناني يعتقد أن الكون مرتب في كرات متحدة المركز، مع الأرض في المركز.
الساعات المائية، التي ظهرت حوالي عام 2000 قبل الميلاد، هي من أقدم الأدوات المستخدمة في قياس الوقت. وهي تقوم بذلك عن طريق تنظيم تدفق المياه إلى داخل أو خارج الوعاء. ثم ظهرت الساعة الميكانيكية في أواخر القرن الثالث عشر.
حتى عام 1967، كانت الثانية تُعرَّف بأنها 1/86400 من اليوم، مع وجود أربع وعشرين ساعة في اليوم وستين دقيقة في الساعة وستين ثانية في الدقيقة (24 × 60 × 60 = 86400). ثم غيَّر النظام الدولي للوحدات الأمور، واستقر على هذا التعريف:
يتم تعريف الثانية عن طريق أخذ تردد انتقال لذرة السيزيوم 133، ليكون 9192631770 عندما يتم التعبير عنه بوحدة هرتز، والتي تساوي s⁻¹.
إذا كنت مرتبكًا، دعني أوضح لك الأمر. إن جوهر هذا التعريف هو ما يسمى بتردد الانتقال. يحدث الانتقال عندما تمتص الإلكترونات في الذرة الطاقة وتنتقل إلى مستوى طاقة أعلى، ثم تعود إلى حالة استرخاء بعد مرور الوقت. الأمر يشبه شرب فنجان من القهوة: فجأة يصبح لديك المزيد من الطاقة، حتى يتلاشى تأثير الكافيين. التردد هو العدد المتوقع لمرات حدوث الانتقال خلال فترة زمنية محددة.
في كل دقّة من الثانية، يحدث انتقال محدد لإلكترون من عنصر السيزيوم-133 9192631770 مرة. وقد أصبح هذا هو المقياس لقياس الوقت. وحتى اليوم، يوفر عنصر السيزيوم التعريف الأكثر دقة للثانية، ولكن يمكن تحسينه باستخدام ترددات أعلى.
كلما زاد معدل الانتقال، كلما قل احتمال أن يؤدي خطأ واحد في القراءة إلى إفساد الدقة الإجمالية. وإذا كان هناك خمسون انتقالاً في الثانية، فإن التكلفة من حيث دقة العد الخاطئ لواحد منها ستكون أشد قسوة بمائة مرة مما لو كان هناك خمسة آلاف.
هناك قيدان يحولان دون تقليل هذا الخطأ: التحديات التكنولوجية المتمثلة في قياس الترددات، وخاصة الترددات العالية؛ والحاجة إلى إيجاد نظام ــ ذرات السيزيوم 133 للثانية ــ مع انتقال قابل للقياس إلى الترددات العالية.
من أجل قياس تردد غير معروف، يأخذ العلماء إشارة ذات تردد معروف – مرجع – ويدمجونها مع التردد الذي يريدون قياسه. سيكون الفرق بينهما إشارة جديدة بتردد صغير يسهل قياسه: تردد النبض.
تستخدم الساعات الذرية هذه التقنية لقياس ترددات انتقال الذرات بدقة شديدة بحيث تصبح معايير لتحديد الثانية. ولتحقيق هذه الدقة، يحتاج العلماء إلى إشارة مرجعية موثوقة، يحصلون عليها باستخدام ما يسمى بمشط التردد.
تستخدم مشطات التردد أشعة الليزر التي يتم إرسالها في نبضات متقطعة. تحتوي هذه الحزم على العديد من موجات الضوء المختلفة، والتي تكون تردداتها متباعدة بشكل متساوٍ، مثل أسنان المشط – ومن هنا جاء الاسم.
في الساعات الذرية، يتم استخدام مشط التردد لنقل الطاقة إلى ملايين الذرات في وقت واحد، على أمل أن تضرب إحدى أسنان المشط بتردد انتقال الذرة. إن مشط التردد الذي تكون أسنانه عديدة ورفيعة وتقع في النطاق الصحيح من الترددات يزيد من فرص حدوث ذلك. وبالتالي فهي مفتاح لتحقيق قياسات عالية الدقة لإشارة مرجعية.
من الساعات الذرية إلى الساعات النووية
كما رأينا، يتم تعريف النوع الثاني من خلال انتقالات الإلكترونات في ذرات السيزيوم. الانتقالات التي تحدث بتردد أقل تكون أسهل في القياس. ولكن الانتقالات التي تحدث بتردد أعلى تساعد في زيادة دقة القياس.
تحدث انتقالات السيزيوم عند نفس التردد تقريبًا على الطيف الكهرومغناطيسي مثل الموجات الدقيقة. تكون ترددات الموجات الدقيقة هذه أقل من ترددات الضوء المرئي. ولكن في سبتمبر 2021، أجرى العلماء قياسات باستخدام عنصر السترونشيوم، الذي يكون تردد انتقاله أعلى من السيزيوم ويقع ضمن نطاق الضوء المرئي. وهذا يفتح المجال أمام إعادة تعريف الثانية بحلول عام 2030.
في سبتمبر 2024، حقق العلماء الأمريكيون تقدمًا كبيرًا في بناء ساعة نووية ــ وهي خطوة أبعد من الساعة الذرية. وعلى النقيض من الساعة الذرية، فإن الانتقال الذي يقيسه هذا الجهاز الجديد يحدث في نواة الذرة (ومن هنا جاء الاسم)، وهو ما يعطيها ترددًا أعلى.
توفر الذرة المستخدمة في هذه الدراسة، الثوريوم 229، انتقالاً نوويًا يمكن إثارته بواسطة الضوء فوق البنفسجي. وقد تغلب الفريق العامل على الساعة النووية على التحدي التكنولوجي المتمثل في بناء مشط تردد يعمل في نطاق التردد العالي نسبيًا للضوء فوق البنفسجي.
كان هذا تقدمًا كبيرًا لأن التحولات النووية لا تظهر عادةً إلا عند ترددات أعلى كثيرًا – مثل تلك الخاصة بإشعاع جاما. لكننا غير قادرين على قياس التحولات في نطاق جاما بدقة حتى الآن.
إن انتقال ذرة الثوريوم له تردد أعلى بنحو مليون مرة من تردد ذرة السيزيوم. وهذا يعني أنه على الرغم من أن هذا التردد قد تم قياسه بدقة أقل من ساعة السترونشيوم الحديثة، فإنه يعد بجيل جديد من الساعات ذات تعريفات أكثر دقة للثانية.
إن قياس الوقت إلى الرقم التاسع عشر، كما تفعل الساعات النووية، من شأنه أن يسمح للعلماء بدراسة العمليات السريعة للغاية. تخيلوا اثنين من العدائين يتعادلان في سباق فاصل زمني. إذا كانت ساعة توقيت الحكم تحتوي على بضعة أرقام إضافية، فسوف يتمكنون من تحديد الفائز.
وعلى نحو مماثل، تُستخدم النسبية العامة لدراسة العمليات عالية السرعة التي قد تؤدي إلى تداخلات مع ميكانيكا الكم. وستزودنا الساعة النووية بالتكنولوجيا اللازمة لإثبات هذه النظريات.
وعلى المستوى التكنولوجي، تعتمد أنظمة تحديد المواقع الدقيقة مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على حسابات معقدة تتطلب قياسات دقيقة للوقت الذي تستغرقه الإشارة للانتقال من جهاز إلى قمر صناعي ثم إلى جهاز آخر.
إن التعريف الأفضل للثانية من شأنه أن يؤدي إلى نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) أكثر دقة. وربما يكون الوقت قد انتهى بالنسبة لثانية السيزيوم، ولكن عالمًا جديدًا بالكامل ينتظرنا بعد ذلك.
عدد التحميلات: 3
