ساعت چنده؟ یک کیلو و ربع !

مجید جویا: فیزیک‌دانان ساعت اتمی جدیدی را بر مبنای پیوند بنیادین بین زمان و جرم ساخته‌اند. محققین دانشگاه کالیفرنیا در برکلی می‌گویند که پالس این ساعت تنها توسط جرم قلب تپنده‌اش که یک اتم سزیم است، تعیین می‌شود.
به رغم جنجال برانگیز بودن این ادعا، آنها می‌گویند که این وسیله می‌تواند نقش جدی در باتعریف کیلوگرم ایفا کند، که تنها واحد پایه اندازه‌گیری است که هنوز با یک پدیده فیزیکی بنیادین مرتبط نشده است.
به گزارش نیچر، استیون چو، وزیر انرژی ایالات متحده، فیزیکدان برنده جایزه نوبل و مشاور پیشین رئیس این گروه تحقیقاتی، این آزمایش را «کار خیلی مهمی می‌داند که باورهای عمومی را در مورد آزمایش‌های اتمی متحول خواهد کرد».
ساعت‌های اتمی فعلی بر مبنای سیگنال‌های مایکروویوی هستند که توسط الکترون‌های اتم سزیوم که از یک سطح انرژی به سطح دیگر می‌روند، ساطع می‌شوند. بهترین ساعت‌های تجربی می توانند زمان با دقت بهتر از یک در  10¹⁷ (یکصدمیلیون میلیارد) یا یک ثانیه خطا در 3.1 میلیارد سال نگه دارند. یعنی اگر یکی از آنها از زمان مهبانگ شروع به کار کرده باشد، تا به حال کمتر از 5 ثانیه با زمان واقعی اختلاف پیدا کرده بود.
اما این نوسانات اتمی درونی توسط برهمکنش‌های بین الکترون‌ اتم‌ها و هسته‌هایشان تعیین می‌شود و اثرات کوانتومی را نادیده می‌گیرد . نوسانات به خوبی تبیین شده‌اند اما نه آن‌قدر بنیادین که برخی دانشمندان می‌خواهند.
 

بازگشت به پایه‌ها
هولگر مولر، سرپرست این تحقیق و همکارانش می‌گویند که کارشان به پایه‌های مکانیک کوانتوم باز می‌گردد (منظور، آزمایش آرتور کامپتون در سال 1923/1302 است که نشان داد فوتون‌های پرتوی ایکس می‌توانند تکانه خود را به الکترون منتقل کنند، و همچنین فرضیه لوئی دی بروگلی که نشان داد الکترون‌های در حال حرکت رفتار موجی دارند).
کمیت‌های درگیر اغلب فراتر از تصورند. فرکانس خاصه کامپتون که برای توصیف این امواج ماده استفاده شده، برای یک الکترون در حدود 10²⁰ هرتز (یکصد میلیارد میلیارد نوسان درهر ثانیه) و برای یک اتم سزیم 10²⁵×3 هرتز (سی میلیون میلیارد میلیارد نوسان در هر ثانیه) است. اما مولر و همکارانش با استفاده از ترکیب روش تداخل‌سنجی اتمی و تکنیک‌های لیزری فوق دقیق، راهی برای شمارش سیکل‌های (تناوب‌های) کامپتون یافته‌اند.
در عمل، راه مستقیمی برای اندازه‌گیری فرکانس کامپتون وجود ندارد و اینجاست که روش تداخل‌سنجی اتمی به کار می‎آید. محققین از ابری متشکل از تقریبا یک میلیارد اتم سزیم که به دو قسمت تقسیم شده بود، استفاده کردند. به یک نیمه آن یک سری از 10 «ضربه» (ریزبرخوردهای اندک فوتون‌های لیزری)اعمال شد تا سرعت چرخه کمپتون را به مقدار به دقت مشخص‌شده‌ایکاهش دهد.
تداخل کوانتومی زمانی رخ می‌دهد که نیمه دستکاری‌شده ابر اتمی به نیمه دست نخورده آن بپیوندد: سیگنال خروجی از تداخل‌سنج وقتی بیشینه است که این دو دسته ابر به اندازه مضربی صحیح از سیکل‌ها اختلاف داشته باشند. این‌چنین پژوهشگران می‌توانند فرکانس ضربه اعمال‌شده را با دقت بسیار بالایی برای حفظ بیشینه خروجی اتمی ، قفل کنند. این فرکانس قفل شده، پالس ساعت اتمی جدید خواهد بود.
 

اثبات اصل
مولر ادعایی چندانی برای دقت ساعت خود ندارد: «این ساعت با دقت 4 در میلیارد، بهتر از ساعت‌های اتمی 50 سال پیش نیست. اما چه کسی می‌دانست که پس از 5 دهه پیشرفت، ما به چه مرتبه‌ای از دقت می‌توانستیم برسیم».
اما مهم‌تر این است که تنها پارامتر فیزیکی که در بیان فرکانس این ساعت دیده می‌شود، جرم اتم‌های سزیم است. مولر توضیح می‌دهد: «هر ساعت دیگر دارای مرجعی است که دست کم از دو ذره‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ برهم‌کنش دهنده با هم استفاده می‌کند؛ اما این ساعت کامپتون اولین ساعتی است که کلا مبتنی بر جرم تنها یک ذره عمل می‎کند».
این بدان معنی است که این وسیله که در اصل می‌توان آن را تنها با یک اتم ساخت، می‌تواند به عنوان شالوده‌ای برای تعریف جدید کیلوگرم بر مبنای یک فرکانس دقیق لیزری باشد.
نظر چو هم همین است: «این مقاله، امکان بازتعریف استاندارد جرم را بر اساس کمیتی اتمی به جای یک توده فلز مطرح می کند».

53271