آیا ساعت اتمی(Atomic Clock) همان ساعت کوانتمی(Quantum Clock) است؟

در سال ۱۶۵۷ فیزیکدان هلندی، کریستین هیوژن، ایده ساعت آونگی را ارائه و بعنوان اختراع ثبت کرد. ابداعی که پایه و اساس کارکرد ساعتها را، اعم از صنعتی و تزئینی، تشکیل می‌دهد. در ساعت آونگی حرکت منظم و پاندولی یک وزنه از طریق تعدادی چرخ‌دنده منجر به حرکت عقربه‌های ساعت می‌شود اما با تغییر سرعت حرکت پاندول یا آونگ تحت تأثیر تغییرات دمای محیط، نمایشگر ساعت(Display Clock) دچار خطا می‌شود، مشکلی که با پیدایش ساعت‌های الکتریکی(Electric Clock) در قرن نوزدهم رفع شد. هرچند مدارهای الکتریکی هم تا حدی تحت تاثیر دما و رطوبت دستخوش خطا می‌شوند ولی با ورود ساعت‌های کوارتز(Quartz Clocks) در قرن بیستم، میزان خطا در ساعت‌ها به ثانیه در روز و دقیقه در سال رسید. پایداری و دقت فیزیکی و شیمیایی ذاتی کریستالهای کوارتز منجر به استفاده گسترده آن شده است و از دهه 1940 پایه و اساس اندازه گیری دقیق زمان و فرکانس در سراسر جهان را تشکیل داده‌اند. در حالی که در ساعت‌های مکانیکی هر بار رفت پاندول یک ثانیه و برگشت آن یک ثانیه دیگر را رقم می‌زند در یک ساعت مجهز به کریستال کوارتز هر 32،768 نوسان سنگ کوارتز معادل یک ثانیه است که نشان دهنده میزان دقت این نوع از ساعت‌هاست.

با اینکه ساعت‌های کوارتز سبک، کوچک، ارزان و دقیق هستند ولی ویژگیهای سنگ‌های کوارتز بسته به نحوه شکل‌گیری کریستال‌هایش تغییر می‌کند بعلاوه نسبت به دما رفتار این سنگ بسیار تغییرپذیر است بنابراین برای استفاده در فعالیتهای علمی و بسیار دقیق کارآیی آن قابل قبول نیست.

دانشمندان که متوجه وجود نوسان‌ها منظم در ذرات همه اتمها و مولکولها بودند به دنبال راهی برای استفاده از این نوسات به جای کریستالهای کوارتز بودند چرا که وبژگی‌های اتم‌ها در زمان‌ها و مکان‌های مختلف دستخوش تغییر نمی‌شود و پایدار است. در سال‌های بین ۱۹۳۰ تا ۱۹۴۰ با توسعه نوعی از امواج الکترومغناطیسی به نام امواج مایکروویو کنترل و تأثیر بر اتمها میسر شد. به این ترتیب اتم‌های مختلف برای استفاده بعنوان نوسان‌گر ساعت مورد بررسی قرار گرفتند. اولین ساعت اتمی(Atomic Clock) بر پایه مولکول آمونیاک در مؤسسه استاندارد آمریکا ساخته شد اما کارآیی آن از استانداردهای موجود بهتر نبود اینجا بود که همه توجه ها به اتم سزیم-۱۳۳ جلب شد و اولین ساعت اتمی ابتدا در آزمایشگاه فیزیک انگلستان و همزمان در سازمان استاندارد آمریکا توسعه یافت و بالاخره تا سال ۱۹۶۰ اولین استاندارد زمان بر پایه اتم سزیم در سیستم رسمی زمان‌سنجی NIST ثبت گردید.

هر 9،192،631،770بار نوسان اتم سزیم معادل یک ثانیه است. به این ترتیب دقت ساعت‌ها از یک نوسان معادل دو ثانیه در ساعت‌های پاندولی مکانیکی به 9،192،631،770 نوسان معادل یک ثانیه در ساعت‌های اتمی بهبود یافته است. دانشمندان برای اینکه بیشترین سیگنال ممکن از نوسانات اتم سزیم را مشاهده کنند از ابتکاری به نام سزیم فواره‌ای(Cesium Fountain) استفاده کردند. با ترکیب اشعه لیزر و امواج مایکروویو و بمباران اتمهای سزیم توسط فوتون‌های شش منبع لیزری از سرعت حرکت اتمها کاسته شده و مشاهده سیگنال آنها با دقت و صحت، امکان‌پذیر می‌شود. به دلیل استفاده از تکنیک فواره‌ای ساعت‌های اتمی به نام ساعت فواره‌ای(Fountain Clock) هم شناخته می‌شوند. پیش از ابداع ساعت‌های فواره‌ای دانشمندان به ساعت‌های اتمی با خطای یک ثانیه در شش میلیون سال دست یافته بودند اما با استفاده از ساعت‌های فواره‌ای این دقت به یک ثانیه در بیست میلیون سال رسید و در سال ۱۹۹۹، پس از ساخت ساعت NIST-F1 به دقت یک ثانیه در صد میلیون سال دست یافتند که در آن اتمها در دمای محیط یعنی حدود ۲۷ درجه سلسیوس بمباران می‌شدند. در سال ۲۰۱۴، ساعت NIST-F2 با خطای یک ثانیه در ۳۰۰ میلیون سال ساخته شد. تفاوت F1 و F2 در دمای عملکرد پایین‌تر F2 یعنی منفی ۱۹۳ درجه سلسیوس است که با نزدیک شدن دمای محیط آزمایش به صفر مطلق امکان مشاهده دقیق‌تری از سیگنال اتمهای سزیم فراهم می‌شود.

علیرغم دقت بسیار زیاد ساعتهای اتمی F1 و F2، دانشمندان بر این باور هستند که می‌توانند ساعت‌هایی با دقت بالاتر بسازند. در حال حاضر مطالعات و آزمایشهای متعددی تحت عنوان ساعتهای کوانتومی و ساعت‌های نوری در جریان است. ساعت‌های کوانتمی با رویکرد استفاده از ویژگیهای ذاتی الکترون و تغییراتی که در اثر جا به جایی آن از یک سطح انرژی به سطوح دیگر و بررسی رفتار اتم هنگام جا به جایی‌ها الکترون، در اتمهایی مثل آلومینیوم، برلیوم، استرانسیم، ایتربیوم، جیوه و یا ترکیبب یون‌های بعضی از عناصر مانند آلومینیوم و منیزیم مورد تحقیق و بررسی هستند.

سوال مهمی که در اینجا مطرح می‌شود اهمیت میزان دقت در برآورد زمان است، دقت در محاسبه زمان چه تأثیری در کیفیت زندگی انسان دارد؟ در حال حاضر زمان اساس محاسبات مربوط به ناوبری و تعیین موقعیت است که از طریق جی‌پی‌اس‌های موجود در ماهواره‌ها دریافت و اعمال می‌شود، بنابراین دریافت یا ارسال اطلاعات زمانی نادرست، منجر به خطا در موقعیت‌یابی و ناوبری می‌گردد و قابل توجه است که در مقیاس‌های بزرگتری مانند سفرهای فضایی خطای ناوبری و موقعیت‌یابی می‌تواند باعث شود که یک فضاپیما به جای کره ماه در سیاره مریخ فرود بیاید. همچنین همه تراکنش‌های مالی و معاملات سهام برای حفظ امنیت و تنظیم بازارهای مالی نیاز به برچسب زمانی دارند که توسط جی‌پی‌اس یا شبکه‌های اینترنتی یا سایر مقیاس‌های زمانی قابل ردیابی، بدست می‌آید.

چون اتمها در ساعت‌های اتمی که از تکنولوژی فواره‌ای استفاده می‌کنند تحت تأثیر نیروی گرانش زمین قرار می‌گیرند، ساعت‌های نزدیک‌تر به سطح دریا کندتر از ساعت‌هایی که در ارتفاعات قرار دارند حرکت می‌کنند، بنابراین فیزیکدانان می‌توانند از ساعت‌های اتمی برای ردیابی تغییرات شکل سطح کره زمین یا سطح دریا بهره ببرند که در تشخیص و هشدار به موقع بلایای طبیعی قابل استفاده است.

هر چند ساعتهای کوانتومی(Quantum Clocks)، ساعت‌های نوری(Optical Clocks) و ساعت‌های شبکه‌ای(Optical Lattice Clocks) همچنان در مرحله تحقیق قرار دارند و دقت کمتری دارند، دارای کاربردهای مهمی هستند. بعنوان مثال ساعت کوانتومی یون جیوه که توسط سازمان ملی هوا و فضای آمریکا(NASA) با دقت یک ثانیه در ۱۰ میلیون سال در فضاپیمایی مستقر و بکارگرفته شده‌است، این ساعت برای استقرار در فضاپیما مناسب است زیرا فضای کوچکی را اشغال می‌کند و دارای ثبات و پایداری در مقابل تغییرات شرایط محیطی مانند گرما و غیره است در حالی که ساعت‌های اتمی بسیار حجیم، پرمصرف و حساس به تغییرات محیطی هستند. استفاده از ساعت کوانتومی جیوه‌ای در فضاپیما مشابه جی‌پی‌اس در تلفن همراه، زمان انتظار برای دریافت سیگنال‌های ناوبری و تعیین موقعیت را به نصف کاهش می‌دهد.

منابع:

1- History of timekeeping devices

https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_timekeeping_devices

2-A Walk Through Time - The "Atomic Age" of Time Standards

https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/popular-links/walk-through-time/walk-through-time-atomic-age-time

3- Atomic Clock

https://www.focus-telecom.com/atomic-clock#:~:text=Atomic%20clocks%20are%20inherently%20more,to%20vary%20more%20with%20temperature

4- NIST-F1 Cesium Fountain Atomic Clock

https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-realization/primary-standard-nist-f1

5- NIST Launches a New U.S. Time Standard: NIST-F2 Atomic Clock

https://www.nist.gov/news-events/news/2014/04/nist-launches-new-us-time-standard-nist-f2-atomic-clock

6- Keeping Time at NIST