لقد أظهر الفيزيائيون جميع مكونات الساعة الذرية، وهي أجهزة تقيس الوقت عن طريق قياس التحولات الطفيفة في الطاقة داخل النواة الذرية. يمكن أن تؤدي مثل هذه الساعات إلى تحسينات كبيرة في القياسات الدقيقة بالإضافة إلى رؤى جديدة في الفيزياء الأساسية.

وقام الباحثون بقياس تردد الضوء الذي يتسبب في انتقال نواة النظير النادر الثوريوم-229 إلى حالة طاقة أعلى - "ساعة" الساعة الذرية - بدقة أعلى 100 ألف مرة من أفضل قيمة سابقة. لقد حققوا ذلك من خلال مزامنة هجرة الطاقة مع ساعة الساعة الأكثر دقة في العالم. أشرف على هذا العمل جون يي من معهد JILA للأبحاث في بولدر، كولورادو، ونشر في 5 سبتمبر في مجلة Nature. تقول ماريانا سافرونوفا، عالمة الفيزياء النووية بجامعة ديلاوير في نيوارك: "إنها حقًا واحدة من أكثر الأبحاث إثارة في الذاكرة الحديثة".

وجاء هذا الإنجاز من خلال فحص نوى الثوريوم-229 بجهاز ليزر يسمى مشط التردد. الإعداد ليس ساعة من الناحية الفنية لأنه لم يتم استخدامه لقياس الوقت بعد. لكن مثل هذه النتائج المبهرة تجعل تطوير الساعة الذرية ممكنًا، كما تقول سافرونوفا.

تقول إلينا فوكس، عالمة الفيزياء النظرية في جامعة لايبنيز هانوفر بألمانيا، إن قياسات الساعة أثبتت بالفعل فائدتها في فيزياء الجسيمات. وبما أن تردد الساعة يتم تحديده من خلال القوى الأساسية التي تربط النواة معًا، فيمكن للنموذج الأولي تحديد ما إذا كان نوع من المادة المظلمة - وهي مادة غير مرئية تشكل حوالي 85% من المادة في الكون - يؤثر على هذه القوى على نطاق صغير. يقول فوكس: "هذه نافذة جديدة ومباشرة على الطاقة النووية".

الساعات النهائية

أفضل الساعات في العالم، والتي تسمى الساعات الذرية، تقيس الوقت باستخدام الليزر - يتم ضبط تردد الضوء بدقة لتحقيق الطاقة اللازمة لتحريك الإلكترونات بين مستويين من الطاقة داخل الذرة. الساعة الذرية الأكثر دقة تكتسب أو تفقد ثانية واحدة فقط كل 40 مليار سنة. ستعمل الساعة الذرية بشكل مختلف قليلاً: ستتوافق الساعة مع تحولات الطاقة للبروتونات والنيوترونات، بدلاً من الإلكترونات، عند دخولها إلى حالة مثارة.

يتطلب تحول الطاقة هذا ترددًا أعلى قليلًا من الأشعة فوق البنفسجية، مما يؤدي إلى توقيت أسرع يمكن أن يضاهي دقة الساعة الذرية أو يتجاوزها. لكن أكبر ميزة محتملة للساعة الذرية تكمن في الجمع بين الدقة والاستقرار. الجسيمات الموجودة في النواة أقل حساسية من الإلكترونات للاضطرابات مثل المجالات الكهرومغناطيسية، مما يعني أن الساعة الذرية يمكن أن تكون محمولة وقوية. تقول آن كيرتس، عالمة الفيزياء التجريبية في مختبر الفيزياء الوطني في تيدينجتون بالمملكة المتحدة: "تصبح أقل حساسيتها بطريقة يصعب تصورها فيما يتعلق بكيفية عمل ساعاتنا اليوم".

لكن العثور على النوع الصحيح من النواة الذرية لاستخدامها وتحديد التردد اللازم لتحويلها إلى حالة طاقة مختلفة كان بمثابة عمل شاق دام 50 عامًا للفيزيائيين. في السبعينيات، أشارت أدلة غير مباشرة إلى أن الثوريوم-229 شهد تحولًا نوويًا منخفض الطاقة بشكل غريب، وهو تحول يمكن أن يحدث في النهاية بواسطة بلازما الطاولة. ولكن لم يكتشف العلماء التردد المطلوب إلا في العام الماضي، وفي هذا العام بدأوا بنجاح التحول باستخدام الليزر.

بحث فريق JILA عن تردد الانتقال في تريليونات ذرات الثوريوم-229 المدمجة في البلورة باستخدام نظام يعرف باسم مشط التردد. يقوم المشط بإنشاء سلسلة من خطوط تردد الليزر التي تكون متباعدة بشكل منتظم ومتساوي. وهذا يسمح للباحثين بإضاءة البلورة بعدة ترددات دقيقة في وقت واحد للبحث عن نتيجة، بدلاً من المسح الشاق عبر مجموعة من الخيارات الممكنة باستخدام ليزر أحادي التردد.

تمت معايرة إعدادات المشط - بما في ذلك عرض الفجوات بين السطور، أو "الأسنان" - باستخدام الساعة الذرية ويمكن تعديلها. أجرى الفريق العديد من التجارب التجريبية، وعندما لاحظوا التوهج المميز الذي يحدث عندما تتحلل ذرات الثوريوم-229 من حالتها المثارة، استخدموا الإعدادات لحساب التردد الذي يتحكم في الإشارة.

يقول المؤلف المشارك في الدراسة تشوانكون تشانغ، الفيزيائي في JILA، إن مراقبة التحول لأول مرة "شعرت بالدهشة". ويقول: "لقد أجرينا اختبارات طوال الليل للتحقق مما إذا كانت هذه هي بالفعل الإشارة التي كنا نبحث عنها".

القوى الأساسية

ما يميز مشط التردد هو أنه يسمح للفيزيائيين بقياس ساعة تردد الساعة - هنا الثوريوم 229 - كنسبة إلى تردد آخر معروف، في هذه الحالة الساعة الذرية. يقول تشانغ إن هذا لم يسمح للفريق بتحديد قيمة التردد المطلقة بدقة عالية فحسب، بل فتح أيضًا بعض الاحتمالات المثيرة للاهتمام في الفيزياء.

إذا تغيرت سرعة ساعة واحدة مع مرور الوقت بالنسبة لساعة أخرى، فقد يشير ذلك إلى أن العوامل التي تحدد مستويات الطاقة - مثل القوة النووية أو القوة الكهرومغناطيسية القوية - تنجرف أو تتقلب، كما يقول فوكس. وتقول إن بعض الأشكال "الخفيفة" من المادة المظلمة، ذات الكتلة المنخفضة للغاية، يُعتقد أن لها هذا التأثير.

وأي تغيير في القوى سوف يتضخم في وتيرة هجرة النواة إلى الداخل، لذلك من المحتمل أن تكون الساعات الذرية أكثر حساسية لتأثيرات هذا النوع من المادة المظلمة بحوالي 100 مليون مرة من الساعات الذرية. يقول فوكس إن النتيجة الأخيرة - التي تحدد التردد بدقة 13 منزلة عشرية - دقيقة بالفعل بما يكفي لتضييق نطاقات الطاقة المحتملة التي يمكن أن توجد فيها المادة المظلمة الخفيفة. يمكن أن تستفيد الفيزياء النووية أيضًا من تردد التحول الأكثر دقة، والذي يمكن أن يساعد العلماء على التمييز بين الأشكال المختلفة المحتملة لنواة الثوريوم-229.

ولكن لا يزال هناك المزيد من العمل الذي يتعين القيام به قبل أن تتمكن الساعات الذرية من تجاوز الساعات الذرية - والتي تصل دقتها حاليًا إلى 19 منزلة عشرية. سوف يدرس الباحثون ما إذا كان من المنطقي الاحتفاظ بالثوريوم 229 مدمجًا في بلورة - وهي مادة صلبة مفيدة لصنع ساعة يمكن ارتداؤها - أو ما إذا كان حصر الذرات الفردية سيؤدي إلى نتائج أفضل.

يحتاج نظام الليزر أيضًا إلى التحسين. تقول أولجا كوتشاروفسكايا، عالمة الفيزياء في جامعة تكساس إيه آند إم في كوليج ستيشن: "لحسن الحظ، تتمتع هذه التقنية المذهلة بإمكانيات كبيرة". وتضيف: إنه "نموذج أولي للمصدر الذي سيتم استخدامه في الساعة المستقبلية".