أحد صفحات التقدم العلمي للنشر
فيزياءفيزياء نظريةملف خاصميكانيكا الكم

مقابلة جن يي | ما فائدة الساعة الأكثر دقة في العالم؟

الساعات الذرية الأكثر تقدماً لا تخبرنا بالوقت فحسب - بل يمكن أن تصير قريباً دقيقة جداً ليمكن استخدامها في اكتشاف موجات الجاذبية واختبار حدود النسبيةً

إذا وجدت نفسك بحاجة إلى التحقق من الوقت، فلا شيء أفضل من سؤال جن يي Jun Ye، من معهد جيلا JILA Research Institute للأبحاث في بولدر بولاية كولورادو، الذي كان يعمل منذ عشرين عاماً على صقل تصميم نموذج مثالي للساعات، الساعة الذرية. يقول إن مثل هذه الساعات يمكن أن تساعدنا على اكتشاف المزيد من موجات الجاذبية Gravitational waves، والتحقق من الثوابت الأساسية للطبيعة وربما دفع نظرية النسبية العامة General relativity إلى ما بعد نقطة الانهيار.

جوشوا هوغيغو: كيف تصنع ساعة ذرية؟
جون يي: لقد صنع البشر ساعات ذرية منذ عقود عديدة. الطريقة التقليدية هي تسليط الموجات الميكروية Microwaves -على فترات منتظمة- على الذرات، مثل السيزيوم Caesium أو الروبيديوم Rubidium، لجعل إلكتروناتها تنقلب من حالة كمية Quantum state – تُعرف بالغزل Spin- إلى أخرى. هذا التقلّب هو دقات الساعة. في الساعات التي أصنعها، المبدأ هو نفسه. لكننا نستخدم ضوء الليزر ونسلطه على ذرات السترونشيوم Strontium، مما يجعل طاقة الإلكترونات تنتقل بين مدارين مستقرين – وهذا الانتقال هو دقة الساعة.

ما مدى جودة ساعتك؟
هناك ثلاثة مقاييس أداء مهمة. أولاً: ما مدى دقة Precision ساعتك، أو ما مدى جودة قياس الوقت؟ ثانياً: ما مدى قابليته للتكرار؟ يشير هذا إلى ما إذا كان يمكنك الحصول على النوع نفسه من القياس بعد يوم أو أسبوع أو عام. ثالثاً: ما مدى ضبط الساعة Accuracy؟ هل هو الوقت الذي يمكن أن يتفق عليه الجميع، بعد أن حساب معظم التأثيرات المنهجية حساباً صحيحاً؟ هذا يختلف تماماً عن الدِّقة Precision. إذا أردنا استخدام هذه الساعات كمعيار للوقت، وكانت لدينا ساعة في بولدر وأخرى في لندن، فيجب أن يكون القياسان متطابقان.
من حيث الضبط، فإن ساعتنا هي أفضل 100 ألف مرة من أفضل ساعة ذرية تعمل بالموجات الميكروية. لقد كان تحسناً هائلاً على مدى العشرين عاماً الماضية. كما أن هذه الساعة شديدة القابلية لإنتاج المزيد مثلها. ما هو أقل وضوحاً، حتى الآن، هو مدى تطابق الساعات المختلفة مع بعضها بعضا.

قرأت أن ساعتك تتأخر ثانية واحدة فقط في عمر الكون.
نحن نتعامل مع فترات زمنية صغيرة جداً يصعب استيعابها. بالعودة إلى عام 2015، أجرينا بعض الحسابات وحولنا قيمة دِقَّة الساعة إلى قيمة مفهومة. وكانت النتيجة هي أنها دقيقة حتى ثانية واحدة في 14 بليون سنة، وهي عمر الكون. منذ ذلك الحين، تحسنت دِقَّة الساعة – لذا فهي الآن تتأخر ثانية واحدة في أعمار متعددة للكون.

صورة: YE GROUP & BAXLEY / JILA / NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS & TECHNOLOGY / SCIENCE PHOTO LIBRARY

لماذا تصنع الساعات بهذه الدقة؟
هناك العديد من الأسرار في الكون، وهناك العديد من الألغاز. يبدو أننا لا ندرك شيئاً ما أساسياً حول طريقة عمل الواقع. وإحدى طرق محاولة الحصول على إجابات تتمثل بإجراء تجارب مع مصادمات الجسيمات Particle colliders التي تنطوي على طاقة أعلى. لذلك، ستحتاج إلى نحو 40 بليون دولار و30 عاماً لبناء آلة أخرى لتحطيم الجسيمات، إلا أن ذلك لن يضمن رؤية شيء جديد. الساعات الدقيقة هي أداة مختلفة تماماً، ويسهل الوصول إليها، وستسمح لنا أيضاً بالبحث عن فيزياء أساسية جديدة. أحد المجالات الرئيسية، مثلاً، هو تمدد الزمن Time dilation على نطاقات صغيرة جداً. إذا تمكنا من دراسة هذا، فقد يخبرنا شيئاً جديداً عن العلاقة بين فيزياء الكم والجاذبية.

لقد استخدمت مؤخراً ساعاتك لقياس تمدد الزمن.
عندما بدأ الأشخاص لأول مرة في اختبار ما إذا كان تمدد الزمن [فكرة أن الساعات يمكن أن تختبر الزمن بسرعات مختلفة] حقيقياً، قارنوا الساعات التي تفصل بينها كيلومترات باستخدام الأقمار الاصطناعية والطائرات. وفي عام 2010 كانت هناك تجربة رائعة أجراها زميلي ديف وينلاند Dave Wineland باستخدام ساعات يفصل بينها 33 سنتيمتراً حيث رصد التمدد. مؤخراً، قسنا تمدد الزمن على مدى بضع مئات من الميكرونات [أجزاء من المليون من المتر] باستخدام ساعتنا التي تعمل بالسترونشيوم.
أعتقد أننا بحاجة إلى الذهاب إلى ما هو أبعد من ذلك، حتى نتمكن من رؤية تمدد الزمن على مدى بضعة ميكرونات. هنا تصير الأمور مثيرة للاهتمام. ومن المحتمل أن نكون قادرين على رؤية الكيفية التي تتأثر بها الأمور مثل التشابك Entanglement [رابطة داخلية يمكن لجسيمات أن ترتبط ببعضها بعد التفاعل] بانحناءات مختلفة في مجال جاذبية الأرض.

هل هناك حد لمدى دقة الساعات؟
الكون يعزف دائماً هذه السمفونية من موجات الجاذبية الناتجة من تصادم الثقوب السوداء وما شابه. إذا صارت ساعتك دقيقة جداً لدرجة لم يعد من الممكن تمييزها من خلفية الموجات الجاذبية المنتشرة في كل مكان، فستكون هذه نهاية الطريق بالنسبة إلى الساعة الذرية. هذا لا يزال على بعد عقود عديدة.
ليس علينا أن نرى هذا على أنه قيد. إذ يمكن أن تعمل الساعات كنوع جديد من أجهزة الكشف عن موجات الجاذبية، وهي طريقة مختلفة لرصدها. في يوم من الأيام، يمكن أن يكون لدينا شبكة من الساعات تدور حول الأرض، لتكون بمثابة هوائي على مستوى الكوكب لموجات الجاذبية. قد يكون هذا قادراً على تحديد الموجات بدقة كافية تسمح لنا بسماع أصداء الانفجار الكبير من حافة الكون. إذا تمكنا من الوصول إلى هذا المستوى، فسيكون ذلك رائعاً.

بقلم جوشوا هوغيغو

ترجمة مي منصور بورسلي

© 2022, New Scientist, Distributed by Tribune Content Agency LLC.

تسوق لمجلتك المفضلة بأمان

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى