بیگ بنگ: در یک ثانیه اتفاقات زیادی می تواند رخ بدهد؛ می توانید با غریبه‌ای دیدار کنید؛ انگشتان‌تان را تکان دهید؛ عاشق شوید و بخوابید. اما واقعا یک ثانیه چیست؟ آیا همان قدر که تصور می کنیم، دقیق است؟

به گزارش بیگ بنگ، در حال حاضر، دقیق‌ترین ساعت‌هایی که برای تعیین زمان جهانی استفاده می شوند، خطایی در حدود 1 ثانیه در هر 300 میلیون سال دارند؛ پس ساعتی که در عصر دایناسورها شروع به تیک تاک زدن کرد، امروز حتی یک ثانیه هم تاخیر نداشته است. اما دانشمندان بر این باورند که ما می توانیم حتی عملکرد بهتری داشته باشیم. پس آنها به دنبال عنصر فراموش شده‌ای هستند که به ندرت در زمین یافت می شود و در قسمت پایین جدول تناوبی عناصر خاک خورده است.

چرا یک 1 ثانیه، 1 ثانیه طول می کشد؟

در دوران قدیم، یک ثانیه به عنوان کسری (1.86400) از روز متوسط خورشیدی تعریف می شد؛ چرخش 24 ساعته زمین به دور محور آن. اما چرخش زمین می تواند قدری فرق داشته باشد. پس دانشمندان تصمیم گرفتند دیگر از آسمان برای تنظیم ساعت استفاده نکنند و مقیاس‌های کوچکتری را در نظر گرفتند؛ مثلا تا سطح اتم‌ها و اجزای تشکیل دهنده نامرئی ماده. در سال 1967، کمیته بین‌المللی وزن و اندازه‌گیری، ثانیه را بعنوان میزان زمانی که طول می کشد تا اتم سزیوم انرژی کافی را برای برانگیخته شدن جذب کند، تعریف  کردند. برای اینکه چنین اتفاقی روی دهد، اتم باید دستخوش 9192631770 چرخه تابش ریزموج قرار بگیرد.

محققانی به نام های «جان پی. لو»، «رابرت ای. درولینگر» و مدیر پروژه «دیوید جی. گلیز» یک ساعت اتم سزیومی به نام NIST-7 را ساختند. این ساعت که در موسسه ملی استاندارد و فناوری قرار دارد، مسئول تعیین زمان در آمریکا از سال 1993 تا 1999 بود، اما حالا ساعت‌های اتم سزیومی ِ دقیق‌تری جایگزین آن شده است.

اگرچه شاید آن عدد تصادفی به نظر آید، اما در اثر اندازه‌گیری فرکانس ریزموج‌های لازم برای برانگیختن اتم‌های سزیوم در میانگین تعریف اولیه از 1 ثانیه بدست آمده است. این اندازه‌گیری‌ها بیش از سه سال به طول انجامید. در حال حاضر، صدها ساعت اتمی سزیومی در تعیین زمان و کنترل جی پی اس نقش دارند. اما در دهه گذشته، نسل دیگری از ساعت‌های اتمی به نام ساعت‌های نوری ظهور پیدا کرد که 100 برابر دقیق تر از نوع سزیومی هستند. ساعت‌های جدید دقیقا به شیوه ساعت‌های سزیومی عمل می کنند، با این تفاوت که آنها از اتم‌هایی مثل آلومینیوم یا ایتربیوم استفاده می کنند؛ اتم‌هایی که با فرکانس‌های بالاتر نور مرئی برانگیخته می شوند، نَه ریزموج‌ها. این فرکانس بالا، نقاط داده بیشتری را به تعریف «یک ثانیه» می افزاید و اندازه‌گیری را دقیق‌تر می کند.

«مورای بارت» استادیار فیزیک در دانشگاه ملی سنگاپور و نویسنده ارشد مقاله جدید گفت: «برای درک این موضوع، انواع مختلفی از ساعت‌ها را بعنوان یک جفت خط‌کش در نظر بگیرید. اگر خط‌کش قدیمی‌تر سزیومی یک خط را که 20 سانتی متر طول دارد اندازه‌گیری کند، خط‌کش نوری دقیق می تواند آن خط را 200 میلی‌متر اندازه بگیرد. اگرچه ساعت‌های نوری دقیق‌ترند، اما اینکه بتوان آنها را برای کار کردن به مدت طولانی آماده کرد و زمینه را برای پایداری آنها در محیط‌هایشان فراهم آورد، کار دشواری است. دمای اتاق می تواند میدان‌های الکترومغناطیسی فعال در اتم‌ها را تغییر دهد. پس ساعت‌های سزیومی به لحاظ اجرایی قابل اعتمادتر از ساعت‌های نوری هستند.»

بارت و تیمش در مطالعه جدید خود دریافتند که یون لوتتیوم در مقایسه با سایر عناصر استفاده شده برای ساعت‌های نوری، حساسیت کمتری به تغییرات در دمای محیطی دارد. همین عامل آنها را به گزینه‌ای قوی برای ساعت نگهدار ارشد تبدیل می کند. اتم‌های لوتتیوم می توانند مشکل دیگری را که بر اندازه‌گیری زمان تاثیر می گذارد، جبران کنند. چون اتم‌های استفاده شده در این ساعت‌ها باردار اند، اندکی حرکت به جلو و عقب در واکنش به میدان‌های الکترومغناطیسی حاصل از امواج در آنها دیده می شود و این می تواند اندازه‌گیری زمان را تحریف کند. دانشمندان این حرکت رو به جلو و عقب سریع را «جابجایی ریزحرکتی» می نامند.

چون دانشمندان باید این جابجایی را جبران کنند، ساخت ساعت‌های اتمی با بیش از یک یون کار بسیار دشواری است که می تواند چنین ساعت‌هایی را کاربردی‌تر کند. اما تیم تحقیق دریافت که می تواند از یک ویژگی طبیعی در نوع خاصی از یون لوتتیوم استفاده کند تا این جابجایی‌ها را از بین ببرد. ولی این کار مشکلی را به همراه دارد: آن اتم‌ها نسبت به دمای اتاق خیلی حساس می شوند. پس اتم لوتتیوم شاید چندان تاثیرگذار نباشد.

«ژروم لودویک» فیزیکدان در رصدخانه پاریس گفت: «اما این کار یک گونه اتمی دیگری را به فهرست بلندبالای نامزدهای وقت نگهدار می افزاید. اگرچه لوتتیوم خیلی نویدبخش جلوه می کند، اما نباید برای تعریف مجدد ثانیه عجله کرد زیرا ساعت‌های سزیومی در رساندن به موقع ما به مقصد مورد نظرمان عملکرد خوبی دارند. اما ساعت‌های نوری بسیار دقیق شاید کاربردهای تازه‌ای را به ارمغان بیاورند؛ کاربردهایی که امکان حصول آنها با فناوری‌های فعلی وجود ندارد.»

برای مثال، بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، ساعت‌ها به مکان قرارگیری‌شان در جهان حساس هستند، زیرا گرانش؛ زمان را تحریف می کند. ساعت‌های اتمی در زمین نمی توانند تحریف زمان را که در اثر گرانش ِ زمین اتفاق می افتد، تشخیص بدهند. اما اگر محققان بتوانند ساعت‌های نوری بسیار دقیقی در سرتاسر جهان قرار دهند، می توانند میدان گرانشی سیاره ما را ترسیم نمایند. جزئیات بیشتر این مطالعه در مجله Nature Communications منتشر شده است.

ترجمه: منصور نقی لو/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: Livescience.com