رکورد دقیق‌ترین ساعت دنیا شکسته شد

 به تازگی گروهی از فیزیک‌دانان آلمانی موفق به ساخت دقیق‌ترین ساعت دنیا شده‌اند؛ این ساعت بر اساس سنجش فرکانس ارتعاشات یون‌های عنصر ایتربیومی که در هر ثانیه میلیون‌ها بار بین دو سطح از انرژی در حال نوسان هستند، کار می‌کند. این یون‌ها در داخل "شبکه‌ای نوری" از پرتوهای لیزر درگیر هستند تا به این ترتیب دانشمندان قادر به شمارش تعداد نوسانات عنصر ایتربیوم در هر ثانیه شوند. گفته می‌شود که این ساعت به اندازه‌ای دقیق است که در طول چندین میلیارد سال، حتی یک ثانیه نیز عقب یا جلو نخواهد شد.

تا پیش از این دقیق‌ترین ساعت‌های دنیا، ساعت‌های اتمی سزیمی بودند؛ این دستگاه‌ها متشکل از یک "آونگ" اتمی هستند که اتم‌های آن در اثر تشعشع ریزموج، دچار پدیده‌ی تشدید شده‌اند. تعریف ثانیه در سیستم SI نیز بر اساس همین نوع از ساعت‌ها تعریف شده است.

مطابق با دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی سزیمی، یک ثانیه مدت زمان لازم برای به وقوع پیوستن تعداد ۹/۱۹۲/۶۳۱/۷۷۰ سیکل از تشعشع تولید شده در اثر انتقال صورت گرفته بین دو سطح از اتم سزیم ۱۳۳ است.

اگر چه ممکن است این تعریف کامل و دقیق به نظر برسد، اما در حین تعریف خود زمان -عاملی که در حقیقت در تمام بخش‌های زندگی ما تعیین کننده است- هیچ‌گاه نمی‌توان به دقیق‌ترین تعریف دست یافت.

همچنان که پژوهشگران در سراسر دنیا در حال تکمیل کردن ساعت‌های اتمی-نوری خود هستند، بازتعریف ثانیه -واحد زمان در سیستم SI بر اساس این دستگاه‌ها به جای ساعت‌های اتمی سزیمی مرسوم- بسیار ضروری می‌نماید. این موضوع به خصوص در حال حاضر که گروهی از فیزیک‌دانان (Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB (انجمن مترولوژی آلمان) موفق به ساخت ساعتی شده‌اند که حداقل ۱۰۰ برابر دقیق‌تر از ساعت‌های اتمی سزیمی عمل می‌کند، از اهمیت بالاتری برخوردار است.

اعضای این تیم تحقیقاتی می‌گویند:

بازتعریف ثانیه، واحد زمان در سیستم SI بر اساس ساعت‌های نوری-اتمی بسیار حتمی به نظر می‌رسد. این ساعت‌ها از فرکانس تحریک بسیار بالاتری (۱۰ به توان ۱۴ تا ۱۰ به توان ۱۵ هرتز) بهره می‌برند. وجود این مشخصه سبب می‌شود که این نوع از ساعت‌ها نسبت به ساعت‌های اتمی سزیمی پایدارتر و دقیق‌تر باشند.

سابق بر این، هانس جرج دهملت، فیزیک‌دان برنده‌ی جایزه‌ی نوبل نیز در دهه‌ی ۸۰ میلادی پیش‌بینی کرده بود که ساعت‌های نوری-اتمی در حقیقت دام‌هایی لیزری برای یون‌های منفرد و بسیاری اتم‌های خنثای دیگر هستند. در حالیکه در گذشته نیز نمونه‌هایی از این ساعت‌ها ساخته شده بود، اما با این حال تنها ساعت ساخته شده توسط گروه PTB است که به سطح دقت پیش‌بینی شده از لحاظ تئوری، دست یافته است. از لحاظ فنی، عدم قطعیت اندازه‌گیری در این ساعت از مرتبه‌ی ۱۰ به توان منفی ۱۸ است.

به اعتقاد این تیم، عنصر شکل‌پذیر و نقره‌ای رنگ ایتربیم، به دلیل دارا بودن قابلیت انتقال بین دو حالت متفاوت، فرآیند اندازه‌گیری نوسانات را ساده‌تر می‌کند؛ بنابراین این عنصر به گزینه‌ای مناسب برای استفاده در ساعت آن‌ها بدل شده است.

در گزارش گروه PTB آمده است:

یکی از این انتقال‌ها براساس تحریک به "حالت F" است که به دلیل طول عمر طبیعی نسبتا طولانی این عنصر (تقریبا ۶ سال)، منجر به پدیده‌ی تشدید بسیار محدودی می‌شود.

همانند کیلوگرم (واحد جرم) که در حال حاضر، توسط پژوهشگران در حال بازتعریف شدن است، تمام واحدهای موجود در سیستم SI نیز در صورت وجود راهکاری برای سنجش دقیق‌تر آن‌ها، نیازمند بازتعریف شدن هستند.