فهرست مطالب
پژوهشگران چینی و اتریشی نخستین نمونه‌های عملیاتی ساعت هسته‌ای جهان را با استفاده از ایزوتوپ توریم ۲۲۹ راه‌اندازی کردند.
به گزارش سرویس فیزیک تک‌ناک، این فناوری می‌تواند در آینده دقت اندازه‌گیری زمان را به یک ثانیه در چند میلیارد سال برساند و به دانشمندان در کشف اسرار جهان، از جمله ماهیت ماده تاریک کمک کند.
پژوهشگران دانشگاه تسینگ‌هوا در پکن و دانشگاه فناوری وین با استفاده از ویژگی‌های هسته اتم توریم ۲۲۹، این ساعت‌ها را توسعه داده‌اند که می‌توانند در آینده از دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی کنونی نیز پیشی بگیرند.
این دستاورد حاصل سال‌ها تحقیق در زمینه فیزیک هسته‌ای و فناوری لیزر است. دانشمندان جزئیات عملکرد این دو ساعت را در دو مطالعه مستقل منتشر کرده‌اند که مجله علمی Nature در هفته جاری آنها را منتشر کرده است.
ساعت‌های اتمی امروزی از دقیق‌ترین ابزارهای اندازه‌گیری زمان در جهان محسوب می‌شوند. این ساعت‌ها می‌توانند زمان را با عدم قطعیتی معادل یک ثانیه در هر ۳۰۰ میلیون سال اندازه‌گیری کنند. با وجود این، پژوهشگران پیش‌بینی کرده‌اند که نسل‌های پیشرفته ساعت‌های هسته‌ای بتوانند این میزان را به یک ثانیه در چند میلیارد سال برسانند.
چنین دقتی می‌تواند علاوه بر تحول در فناوری زمان‌سنجی، فرصت‌های تازه‌ای برای مطالعه پدیده‌های ناشناخته کیهان فراهم کند. یکی از مهم‌ترین کاربردهای احتمالی این ساعت‌ها، کمک به بررسی ماده تاریک است که ماهیت آن همچنان یکی از بزرگ‌ترین معماهای فیزیک به حساب می‌آید.
تورستن شوم، استاد دانشگاه فناوری وین و یکی از نویسندگان این پژوهش اعلام کرده است که استفاده از هسته‌های اتمی به‌جای خود اتم‌ها، از نظر اصول فیزیکی امکان دستیابی به دقت بسیار بالاتری را فراهم می‌کند.
ساعت هسته‌ای چگونه زمان را اندازه‌گیری می‌کند؟
ساعت‌های اتمی کنونی برای اندازه‌گیری زمان از تغییرات انرژی الکترون‌های اتم استفاده می‌کنند. در این فناوری، دانشمندان فرکانس لیزر را روی مقدار مشخصی تنظیم می‌کنند که باعث انتقال الکترون میان دو سطح انرژی می‌شود.
این فرکانس ثابت، مرجع بسیار دقیقی برای اندازه‌گیری زمان فراهم می‌کند. فناوری ساعت‌های اتمی امروزه نقش مهمی در عملکرد سامانه موقعیت‌یابی جهانی GPS، ارتباطات اینترنتی و بسیاری از زیرساخت‌های ارتباطی ایفا می‌کند.
ساعت‌های هسته‌ای از سازوکاری مشابه استفاده می‌کنند، اما به‌جای بررسی تغییرات انرژی الکترون‌ها، گذارهای انرژی درون هسته اتم را اندازه می‌گیرند.
هسته اتم ده‌ها هزار برابر کوچک‌تر از کل اتم است. همین تفاوت باعث می‌شود تغییرات انرژی درون هسته بتوانند مبنای ساخت ابزارهای زمان‌سنجی بسیار دقیق‌تری قرار گیرند.
در این فناوری، لیزر با فرکانس مشخصی به هسته اتم تابانده می‌شود و حالت انرژی آن را تغییر می‌دهد. سپس پژوهشگران از فرکانس گذار میان دو حالت انرژی هسته برای تثبیت فرکانس لیزر و اندازه‌گیری زمان استفاده می‌کنند.
البته تحریک هسته‌های اتمی معمولا به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد و همین موضوع ساخت ساعت‌های هسته‌ای را دشوار کرده است.
ایزوتوپ توریم ۲۲۹ در این زمینه یک استثنای نادر محسوب می‌شود. ویژگی‌های انرژی این ایزوتوپ به دانشمندان اجازه می‌دهد تغییرات حالت هسته را با استفاده از لیزر کنترل کنند.
به همین دلیل، هر دو گروه تحقیقاتی در چین و اتریش از توریم ۲۲۹ برای ساخت و راه‌اندازی نمونه‌های اولیه خود استفاده کرده‌اند.
شوم درباره عملکرد این فناوری توضیح داده است که اساس کار بسیار ساده است. لیزر حالت انرژی هسته‌های توریم را تغییر می‌دهد و هسته‌های توریم نیز به عنوان مرجعی برای تثبیت فرکانس لیزر عمل می‌کنند.
به بیان ساده‌تر، دانشمندان از ویژگی‌های ثابت هسته توریم برای جلوگیری از تغییر فرکانس لیزر استفاده می‌کنند. این روش می‌تواند در آینده امکان اندازه‌گیری زمان با دقت بی‌سابقه‌ای را فراهم کند.
رقابت چین و اتریش برای توسعه دقیق‌ترین ساعت جهان
پژوهشگران چینی و اتریشی پس از سال‌ها تحقیق، تقریبا به صورت هم‌زمان موفق به راه‌اندازی ساعت‌های هسته‌ای خود شده‌اند. هر دو گروه بلورهای توریم مورد نیاز آزمایش‌های خود را به‌طور مستقل تولید کرده‌اند.
نتایج آزمایش‌های اولیه نشان می‌دهد نمونه عملیاتی چین از نظر پایداری فرکانس حدود شش برابر بهتر از ساعت هسته‌ای اتریش عمل می‌کند.
با وجود این، ساعت توسعه‌یافته در دانشگاه فناوری وین نیز دستاورد مهمی محسوب می‌شود. این دستگاه نخستین ساعت هسته‌ای است که می‌تواند فرکانس خود را به روشی مشابه ساعت‌های اتمی تثبیت کند.
شوم در گفت‌وگو با روزنامه South China Morning Post، توسعه هم‌زمان این دو پروژه را آغاز یک رقابت جهانی شدید اما دوستانه توصیف کرده است.
با وجود پیشرفت چشمگیر پژوهشگران، ساعت‌های هسته‌ای عملیاتی جدید هنوز از نظر دقت به عملکرد ساعت‌های اتمی موجود نرسیده‌اند.
برآوردهای اولیه نشان می‌دهد نمونه جدید ساعت هسته‌ای ممکن است در هر ۳۰ میلیون سال حدود یک ثانیه اختلاف زمانی پیدا کند.
این میزان خطا تقریبا ۱۰ برابر بیشتر از ساعت‌های اتمی سزیمی است که در حال حاضر مبنای تعریف رسمی ثانیه محسوب می‌شوند.
بنابراین، فناوری جدید هنوز برای جایگزینی ساعت‌های اتمی به پیشرفت‌های بیشتری نیاز دارد. پژوهشگران معتقد هستند استفاده از لیزرهای قدرتمندتر و کارآمدتر، همراه با تولید بلورهای توریم باکیفیت‌تر، می‌تواند دقت نسل‌های آینده را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.
دانشمندان انتظار دارند با ادامه این پیشرفت‌ها، ساعت‌های هسته‌ای سرانجام از ساعت‌های اتمی پیشی بگیرند و استانداردهای جدیدی برای اندازه‌گیری زمان ایجاد کنند.
همچنین این فناوری می‌تواند ابزارهای دقیق‌تری برای بررسی پدیده‌های بنیادی جهان در اختیار فیزیک‌دانان قرار دهد و مسیر پژوهش درباره ماده تاریک و دیگر معماهای کیهانی را هموارتر کند.
با وجود این، هنوز مشخص نیست کدام گروه تحقیقاتی زودتر موفق خواهد شد نخستین ساعت هسته‌ای دقیق‌تر از ساعت‌های اتمی را توسعه دهد.