۱۷ نوامبر ۲۰۲۵ – نیتیکا والتر -تصویری گویا از ساعت اتمی. عکس‌های iStock
دانشمندان در تورنتو از یک پیشرفت شگفت‌انگیز، یک ساعت اتمی تنظیم‌شده با لیزر که تا پنج درجه بالاتر از صفر مطلق سرد شده است، رونمایی کرده‌اند که نویدبخش جهشی در دقت زمان‌سنجی برخلاف هر چیزی است که امروزه استفاده می‌شود.
فیزیکدانان دانشگاه تورنتو اولین ساعت اتمی نوری تک یونی برودتی جهان را توسعه داده‌اند، ابزاری نسل بعدی که می‌تواند ۱۰۰ برابر دقیق‌تر از ساعت‌هایی باشد که در حال حاضر برای تعریف طول یک ثانیه استفاده می‌شوند.این پیشرفت، گامی بزرگ در جهت جایگزینی ساعت‌های سزیمی قدیمی است که برای دهه‌ها زمان‌سنجی جهانی را تثبیت کرده‌اند.
این دستگاه جدید می‌تواند پایه و اساسی را که فیزیک، ناوبری، مخابرات و اندازه‌گیری‌های دقیق بی‌شماری به آن وابسته هستند، اصلاح کند.
پروفسور آمار ووتا گفت: «اندازه‌گیری‌های دقیق زمان و فرکانس زیربنای کل سیستم واحدهای فیزیکی ما هستند. بنابراین، بهبود دقت دستگاه‌های زمان‌سنج منجر به پایه‌های قوی‌تری برای هر اندازه‌گیری فیزیکی می‌شود.»
ووتا، فیزیکدان تجربی در دانشکده فیزیک، و تاکاهیرو تاو، محقق دکترا، بر اساس کار قبلی در آزمایشگاه خود، دستگاهی ساختند که یک لیزر نوری را با استفاده از یک اتم استرانسیوم به دام افتاده تثبیت می‌کند.
همه ساعت‌ها، از پاندول گرفته تا ساعت‌های کوارتز و ساعت‌های اتمی، به یک رویداد تکرارشونده پایدار متکی هستند.
ووتا گفت: «در هر ساعت خوب، رویداد تناوبی باید پایدار باشد. برای آن مناسب نیست که گاهی اوقات سریع‌تر و سپس کندتر کار کند.»
در ساعت‌های اتمی، «تیک» از نوسانات الکترومغناطیسی یک لیزر ناشی می‌شود. او توضیح داد: «دوره تناوب پایدار لیزر توسط یک اتم تضمین می‌شود؛ ارتعاشات کوانتومی اتم مانند یک دیاپازون عمل می‌کند تا لیزر را «کوک» نگه دارد.»
نسل‌های اولیه ساعت‌های اتمی از مایکروویو و بعدها لیزرهای نور مرئی استفاده می‌کردند که هر جهش، پایداری فرکانس را چندین برابر بهبود می‌بخشد.
ساعت‌های نوری پیشرفته امروزی دقتی تا ۱۸ رقم اعشار ارائه می‌دهند که تقریباً معادل اندازه‌گیری فاصله زمین تا ماه تا یک میلیونیم میلی‌متر است.با این حال، حتی این دستگاه‌های خارق‌العاده نیز با یک محدودیت مشترک روبرو هستند: گرما. اتم‌هایی که برای تنظیم ساعت‌های نوری استفاده می‌شوند، توسط تابش مادون قرمز ساطع شده از اجزای اطراف، از جمله محفظه خلاء فلزی که آنها را نگه می‌دارد، مختل می‌شوند.
ووتا گفت: «اتم‌های تنظیم‌کننده در ساعت‌های اتمی نوری فعلی هنوز توسط نور مادون قرمز – گرما – ساطع شده از اشیاء نزدیک، مختل می‌شوند. این امر دقت آنها را محدود می‌کند، زیرا اگر خود دیاپازون از کوک خارج شود، دیگر ساعت پایداری نخواهید داشت.»
دستاورد تیم تورنتو، سرد کردن اتم استرانسیوم به دام افتاده تا دمای زیر پنج کلوین بود که به طور چشمگیری تابش حرارتی را کاهش داده و منبع اصلی رانش فرکانس را از بین می‌برد.
این محیط برودتی به اتم اجازه می‌دهد تا نقش “دیاپازون تنظیم” خود را با پایداری بسیار بالاتری حفظ کند.
زمان‌سنجی فوق دقیق، پیامدهای علمی آبشاری دارد. استانداردهای الکتریکی پایه، مانند آمپر و ولت، به اندازه‌گیری‌های زمان و فرکانس بسیار دقیق متکی هستند.
ووتا خاطرنشان کرد: “تعریف استاندارد جریان – آمپر – مستلزم اندازه‌گیری تعداد الکترون‌هایی است که جریان می‌یابند… در یک بازه زمانی کالیبره شده دقیق.”
اما عمیق‌ترین کاربرد ساعت‌های فوق دقیق ممکن است در آزمایش عمیق‌ترین فرضیات طبیعت باشد.
ووتا گفت: “موفق‌ترین کاربرد نسل جدید ساعت‌های نوری، آزمایش این بوده است که آیا ثابت‌های اساسی طبیعت… خودشان ثابت هستند یا خیر.”
این شامل سرعت نور و ثابت پلانک می‌شود. «هیچ راه دیگری برای انجام این نوع آزمایش‌ها جز ساعت‌های اتمی وجود ندارد.»
