پژوهشگران دانشگاه ملی سنگاپور و مرکز فناوریهای کوانتومی، دقیقترین ساعت اتمی جهان را ساختهاند؛ ساعتی مبتنی بر یون لوتتیم که دقت آن به اندازهای است که طبق برآورد پژوهشگران، برای ایجاد یک ثانیه خطا به بیش از ۲۶۰ میلیارد سال زمان نیاز دارد.
نتایج این دستاورد در ۲۳ سپتامبر ۲۰۲۶ در مجله Nature منتشر شده است. پژوهشگران دو ساعت مستقل مبتنی بر یون لوتتیم ساختند و با مقایسه مستقیم آنها نشان دادند فرکانس دو سامانه تا رقم نوزدهم با یکدیگر مطابقت دارد.
ساعت اتمی لوتتیم چگونه کار میکند؟
ساعت جدید از یک یون منفرد لوتتیم-۱۷۶ استفاده میکند.
در این سیستم، پژوهشگران فرکانس بسیار مشخصی از نور را که باعث انتقال الکترون یون لوتتیم به یک حالت انرژی بالاتر میشود، اندازهگیری میکنند.
یک لیزر روی همین فرکانس قفل میشود و نوسانهای بسیار پایدار آن نقش «تیک» ساعت را ایفا میکنند.
برخلاف ساعتهای اتمی مایکروویوی رایج، این سامانه از یک گذار نوری استفاده میکند. فرکانس بسیار بالاتر نور باعث میشود تقسیم زمان با جزئیات بسیار بیشتری انجام شود و در نتیجه دقت ساعت افزایش پیدا کند.
دقت در محدوده ۱۰ به توان منفی ۱۹
پژوهش منتشرشده در Nature نشان میدهد عدم قطعیت فرکانس نسبی هر یک از دو ساعت لوتتیمی به حدود ۱ در ۱۰ به توان ۱۹ رسیده است.
پژوهشگران فقط دقت یک ساعت را بهصورت نظری محاسبه نکردند؛ بلکه دو ساعت مستقل ساختند و مستقیماً آنها را با یکدیگر مقایسه کردند.
نتیجه این مقایسه اختلافی در حدود ۵.۷ ضربدر ۱۰ به توان منفی ۱۹ نشان داد و دو ساعت تا رقم نوزدهم با یکدیگر توافق داشتند.
این یکی از مهمترین نقاط قوت پژوهش است، زیرا داشتن فقط یک ساعت فوقدقیق برای اثبات صحت آن کافی نیست و یک مرجع مستقل با دقت مشابه برای مقایسه لازم است.
چهار برابر دقیقتر از رکورد قبلی
براساس گزارش Nature، ساعت لوتتیمی جدید حدود چهار برابر دقیقتر از رکورددار قبلی در میان ساعتهای اتمی است.
رکورد قبلی به سامانهای مبتنی بر یون کلسیم تعلق داشت، اما ویژگیهای اتمی لوتتیم باعث شده این عنصر گزینهای بسیار مناسب برای زمانسنجی فوقدقیق باشد.
لوتتیم نسبت به برخی عوامل محیطی که میتوانند فرکانس ساعت را تغییر دهند، حساسیت کمتری دارد.
برای مثال تغییرات دما و میدان مغناطیسی میتوانند روی بسیاری از ساعتهای اتمی اثر بگذارند؛ اما برخی گذارهای مورد استفاده در لوتتیم بهشکل قابلتوجهی در برابر این اختلالات مقاوم هستند.
اندازهگیری اختلاف ارتفاع در حد میلیمتر
دقت ساعتهای اتمی فقط برای اندازهگیری زمان کاربرد ندارد.
طبق نسبیت عام اینشتین، سرعت گذر زمان به میدان گرانشی وابسته است. حتی دو ساعت بسیار دقیق که در ارتفاعهای کمی متفاوت قرار دارند، با سرعت اندکی متفاوت کار میکنند.
دقت ساعت لوتتیمی به حدی رسیده که تغییرات میدان گرانشی مربوط به اختلاف ارتفاع در مقیاس میلیمتری میتواند در مقایسه فرکانس ساعتها دیده شود.
این توانایی میتواند در آینده برای ژئودزی، مطالعه تغییرات میدان گرانشی زمین و بررسی جابهجایی جرمهای بزرگ مانند آبهای زیرزمینی یا یخها کاربرد داشته باشد.
ابزاری برای جستوجوی فیزیک جدید
ساعتهای فوقدقیق همچنین میتوانند به ابزاری برای آزمایش قوانین بنیادی فیزیک تبدیل شوند.
پژوهشگران میتوانند با مقایسه ساعتها در شرایط مختلف، تغییر احتمالی ثابتهای بنیادی طبیعت یا نشانههایی از پدیدههایی مانند ماده تاریک را جستوجو کنند.
هر اختلاف فرکانس توضیحدادهنشده در چنین آزمایشهایی تنها زمانی میتواند بهعنوان نشانهای از فیزیک جدید در نظر گرفته شود که خود ساعتها با دقت بسیار بالا آزمایش و تأیید شده باشند.
پژوهشگران میگویند لوتتیم در محدوده دقت پایینتر از ۱۰ به توان منفی ۱۸ یکی از قویترین گزینهها برای چنین آزمایشهایی است.
آیا تعریف ثانیه تغییر میکند؟
ثانیه درحالحاضر براساس گذار اتمی سزیم-۱۳۳ تعریف میشود؛ استانداردی که از سال ۱۹۶۷ مورد استفاده قرار گرفته است.
اما ساعتهای نوری جدید اکنون به دقتی بسیار بیشتر از ساعتهای سزیمی رسیدهاند و جامعه علمی سالها است درباره بازتعریف ثانیه براساس نسل جدید ساعتهای نوری بحث میکند.
ساعت لوتتیمی جدید یکی از گزینههایی است که میتواند در این مسیر نقش داشته باشد، هرچند هنوز هیچ تصمیمی برای انتخاب لوتتیم بهعنوان استاندارد آینده گرفته نشده است.
بیش از یک دهه تحقیق برای شکستن رکورد
تیم مرکز فناوریهای کوانتومی سنگاپور بیش از ۱۰ سال روی ساعتهای مبتنی بر لوتتیم کار کرده است.
یکی از مزیتهای مهم این عنصر آن است که سامانه جدید با فناوریهای لیزری تجاری قابلساخت است و در دمای اتاق نیز کار میکند.
پژوهشگران اکنون امیدوارند نسخههای آینده این فناوری کوچکتر و قابلحملتر شوند تا ساعت فوقدقیق لوتتیمی از محیط آزمایشگاه خارج شود.
اگر این هدف عملی شود، ساعتهای نوری میتوانند علاوه بر آزمایشهای بنیادی فیزیک، در ناوبری، ژئودزی و نسل آینده شبکههای زمانی دقیق نیز کاربرد گستردهتری پیدا کنند.
دیدگاهها