محققان گزارش می دهند که اتم های فوق تابشی می توانند محدودیت های دقیق اندازه گیری زمان را افزایش دهند.

دومی دقیق ترین واحد اندازه گیری در مقایسه با سایر واحدهای اساسی مانند کیلوگرم، متر و درجه کلوین است.

زمان در حال حاضر توسط ساعت‌های اتمی در مکان‌های مختلف در سراسر جهان اندازه‌گیری می‌شود که با هم به ما می‌گویند ساعت چند است. با استفاده از امواج رادیویی، ساعت‌های اتمی دائماً سیگنال‌هایی را ارسال می‌کنند که رایانه‌ها، تلفن‌ها و ساعت‌های مچی ما را همگام‌سازی می‌کنند.

نوسانات کلید حفظ زمان هستند. در ساعت قدیم این نوسانات از a هستند چرخش آونگ هر ثانیه از یک طرف به طرف دیگر، در حالی که در ساعت اتمی پرتو لیزری است که مربوط به انتقال انرژی در استرانسیوم است و حدود یک میلیون میلیارد بار در ثانیه نوسان می کند.

اما به گفته دانشجوی دکتری الیوت بور از موسسه نیلز بور در دانشگاه کپنهاگ – نوه نیلز بور – حتی ساعت‌های اتمی نیز می‌توانند دقیق‌تر شوند. این به این دلیل است که لیزر تشخیصی که توسط اکثر ساعت‌های اتمی مدرن برای خواندن نوسانات اتم‌ها استفاده می‌شود، اتم‌ها را چنان گرم می‌کند که بیرون می‌آیند – که دقت را کاهش می‌دهد.

از آنجایی که اتم‌ها باید دائماً با اتم‌های جدید جایگزین شوند، در حالی که اتم‌های جدید آماده می‌شوند، ساعت زمان بسیار کمی را تلف می‌کند. بور که در شاغل بود توضیح می‌دهد: «به همین دلیل است که ما سعی می‌کنیم بر برخی از چالش‌ها و محدودیت‌های بهترین ساعت‌های اتمی جهان، از جمله موارد دیگر، با استفاده مجدد از اتم‌ها غلبه کنیم تا نیازی به جایگزینی آن‌ها نباشد.» مؤسسه نیلز بور زمانی که او این تحقیق را انجام داد، اما اکنون یک دانشجوی فوق دکتری در دانشگاه کلرادو است.

او نویسنده اصلی یک مطالعه جدید است که در ارتباطات طبیعتکه از روشی نوآورانه و شاید کارآمدتر برای اندازه گیری زمان استفاده می کند.

اتم های فوق العاده سرد

روش فعلی شامل یک کوره داغ است که تقریباً 300 میلیون اتم استرانسیم را به یک توپ بسیار سرد از اتم‌های سرد معروف به تله مغناطیسی نوری یا MOT می‌ریزد. دمای این اتم ها تقریباً 273- درجه سانتیگراد است – بسیار نزدیک به صفر مطلق – و دو آینه با یک میدان نور بین آنها وجود دارد تا فعل و انفعالات اتمی را تقویت کند. بور به همراه دیگر محققان خود روش جدیدی برای خواندن اتم ها ایجاد کرد.

بور توضیح می‌دهد: «وقتی اتم‌ها در محفظه خلاء فرود می‌آیند، کاملاً بی‌حرکت می‌مانند، زیرا هوا بسیار سرد است، که امکان ثبت نوسانات آن‌ها را با دو آینه در دو انتهای محفظه ممکن می‌سازد».

دلیل اینکه محققان مجبور نیستند اتم ها را با لیزر گرم کرده و آنها را از بین ببرند، به لطف پدیده فیزیک کوانتومی است که به نام “ابر تابش” شناخته می شود. این پدیده زمانی اتفاق می‌افتد که گروهی از اتم‌های استرانسیم در هم پیچیده می‌شوند و همزمان نوری را در میدان بین دو آینه ساطع می‌کنند.

آینه ها باعث می شوند اتم ها به طور کلی رفتار کنند. آنها با هم سیگنال نوری قدرتمندی از خود ساطع می کنند که می توانیم از آن برای خواندن وضعیت اتم استفاده کنیم که گامی مهم در اندازه گیری زمان است. بور توضیح می‌دهد که این روش اتم‌ها را به حداقل می‌رساند، بنابراین همه چیز بدون جایگزینی اتم‌ها اتفاق می‌افتد، و این پتانسیل را دارد که آن را به روش دقیق‌تری برای اندازه‌گیری تبدیل کند.

GPS، فضا و آتشفشان ها

به گفته الیوت بور، نتیجه تحقیق جدید می تواند برای توسعه a سیستم GPS دقیق تر. در واقع، تقریباً 30 ماهواره که دائماً به دور زمین می چرخند و به ما می گویند کجا هستیم، برای اندازه گیری زمان به ساعت های اتمی نیاز دارند.

وقتی ماهواره‌ها موقعیت تلفن یا GPS شما را تعیین می‌کنند، شما از یک ساعت اتمی در ماهواره استفاده می‌کنید. بور توضیح می‌دهد که دقت ساعت‌های اتمی آنقدر مهم است که اگر این ساعت اتمی یک میکروثانیه خاموش باشد، به معنای عدم دقت در حدود 100 متر در سطح زمین است.

ماموریت‌های فضایی آینده حوزه دیگری است که محقق پیش‌بینی می‌کند ساعت‌های اتمی دقیق‌تر تاثیر قابل‌توجهی دارند.

«وقتی افراد و کشتی‌ها به فضا فرستاده می‌شوند، حتی از ماهواره‌های ما دورتر می‌شوند. بنابراین، الزامات برای اندازه‌گیری دقیق زمان برای ناوبری فضایی بسیار بیشتر است.»

نتیجه همچنین می‌تواند در توسعه نسل جدیدی از ساعت‌های اتمی کوچکتر و قابل حمل که می‌توانند برای بیش از زمان‌سنجی «فقط» استفاده شوند، مفید باشد.

ساعت‌های اتمی به تغییرات گرانشی حساس هستند و بنابراین می‌توان از آنها برای تشخیص تغییرات جرم و گرانش زمین استفاده کرد و این می‌تواند به ما در پیش‌بینی زمان کمک کند. فوران های آتشفشانی و زلزله ها بور می‌گوید، این اتفاق خواهد افتاد.

بور تأکید می‌کند که اگرچه روش جدید با استفاده از اتم‌های ابر تشعشعی بسیار امیدوارکننده است، اما همچنان «اثبات مفهوم» است که نیاز به اصلاح بیشتری دارد.

محققان دیگری از دانشگاه کپنهاگ، دانشگاه اینسبروک و دانشگاه کلمبیا به این کار کمک کردند.

منبع: دانشگاه کپنهاگ