صنع علماء الفيزياء بجامعة ويسكونسن ماديسون واحدة من أعلى الساعات الذرية أداءً على الإطلاق.
يمكن لأداتهم ، المعروفة باسم الساعة الذرية الشبكية الضوئية ، قياس الاختلافات في الوقت إلى دقة تعادل خسارة ثانية واحدة فقط كل 300 مليار سنة ، وهي أول مثال على ساعة بصرية “متعددة الإرسال” ، حيث يمكن أن توجد ست ساعات منفصلة في نفس البيئة. يسمح تصميمه للفريق باختبار طرق البحث عن موجات الجاذبية ، ومحاولة اكتشاف المادة المظلمة ، واكتشاف فيزياء جديدة باستخدام الساعات.
“الساعات الشبكية البصرية هي بالفعل أفضل الساعات في العالم ، وهنا نحصل على هذا المستوى من الأداء الذي لم يره أحد من قبل” ، هذا ما قاله شيمون كولكويتز ، أستاذ فيزياء جامعة ويسكونسن ماديسون وكبير مؤلفي الدراسة. “نحن نعمل على تحسين أدائهم وتطوير التطبيقات الناشئة التي يتم تمكينها من خلال هذا الأداء المحسّن.”
الساعات الذرية دقيقة للغاية لأنها تستفيد من خاصية أساسية للذرات: عندما يغير الإلكترون مستويات الطاقة ، فإنه يمتص أو يصدر الضوء بتردد مماثل لجميع ذرات عنصر معين. تحافظ الساعات الذرية الضوئية على الوقت باستخدام ليزر تم ضبطه لمطابقة هذا التردد بدقة ، وهي تتطلب بعض أكثر أجهزة الليزر تطوراً في العالم للحفاظ على الوقت بدقة.
وبالمقارنة ، فإن مجموعة كولكويتز لديها “ليزر رديء نسبيًا” ، كما يقول ، لذلك كانوا يعرفون أن أي ساعة يصنعونها لن تكون الأكثر دقة أو دقة بمفردها. لكنهم عرفوا أيضًا أن العديد من التطبيقات النهائية للساعات الضوئية ستتطلب أشعة ليزر محمولة ومتوفرة تجاريًا مثل تلك الخاصة بهم. سيكون تصميم ساعة يمكن أن تستخدم ليزر متوسط نعمة.
في دراستهم الجديدة ، ابتكروا ساعة متعددة الإرسال ، حيث يمكن فصل ذرات السترونشيوم إلى ساعات متعددة مرتبة في خط في نفس الغرفة الفراغية. باستخدام ساعة ذرية واحدة فقط ، وجد الفريق أن الليزر الخاص بهم كان قادرًا بشكل موثوق فقط على إثارة الإلكترونات في نفس العدد من الذرات لمدة عُشر من الثانية.
ومع ذلك ، عندما قاموا بتسليط الليزر على ساعتين في الغرفة في نفس الوقت وقارنوها ، ظل عدد الذرات التي تحتوي على إلكترونات مثارة كما هو بين الساعتين لمدة تصل إلى 26 ثانية. تعني نتائجهم أنه يمكنهم إجراء تجارب ذات مغزى لفترة أطول بكثير مما يسمح به الليزر في الساعة الضوئية العادية.
يقول Kolkowitz: “عادةً ما يحد الليزر الخاص بنا من أداء هذه الساعات”. “ولكن نظرًا لوجود الساعات في نفس البيئة وتعرض نفس ضوء الليزر تمامًا ، فإن تأثير الليزر يتلاشى تمامًا.”
تساءلت المجموعة بعد ذلك عن مدى دقة قياس الاختلافات بين الساعات. مجموعتان من الذرات في بيئات مختلفة قليلاً سوف تدق بمعدلات مختلفة قليلاً ، اعتمادًا على الجاذبية أو المجالات المغناطيسية أو الظروف الأخرى.
أجروا تجربتهم أكثر من ألف مرة ، وقاسوا الفرق في وتيرة الدقات لساعتيهم لما مجموعه حوالي ثلاث ساعات. كما هو متوقع ، نظرًا لأن الساعات كانت في موقعين مختلفين قليلاً ، كان التكتكات مختلفًا قليلاً. أظهر الفريق أنه كلما أخذوا المزيد والمزيد من القياسات ، أصبحوا أكثر قدرة على قياس تلك الاختلافات.
في نهاية المطاف ، يمكن للباحثين اكتشاف اختلاف في معدل التأشير بين الساعتين الذي من شأنه أن يتوافق مع اختلافهما مع بعضهما البعض بمقدار ثانية واحدة فقط كل 300 مليار سنة – وهو قياس الدقة في ضبط الوقت الذي يضع رقماً قياسياً عالمياً لساعتين منفصلتين مكانياً.
كان من الممكن أن يكون أيضًا رقمًا قياسيًا عالميًا لفرق التردد الأكثر دقة بشكل عام لولا ورقة أخرى نُشرت في نفس العدد من مجلة Nature. قادت تلك الدراسة مجموعة في JILA ، وهو معهد أبحاث في كولورادو. اكتشفت مجموعة JILA فرقًا في التردد بين الجزء العلوي والسفلي من سحابة ذرات متفرقة أفضل بنحو 10 مرات من مجموعة UW-Madison.
وتمثل نتائجهم ، التي تم الحصول عليها من مسافة فاصلة تبلغ ملليمترًا واحدًا ، أيضًا أقصر مسافة حتى الآن تم اختبار نظرية أينشتاين للنسبية العامة باستخدام الساعات. تتوقع مجموعة Kolkowitz إجراء اختبار مماثل قريبًا.
يقول Kolkowitz: “الشيء المذهل هو أننا أظهرنا أداءً مشابهًا لمجموعة JILA على الرغم من حقيقة أننا نستخدم ليزرًا أسوأ من حيث الحجم”. “هذا مهم حقًا للعديد من تطبيقات العالم الحقيقي ، حيث يبدو الليزر الخاص بنا أشبه كثيرًا بما يمكن أن تخرجه في الميدان.”
لإثبات التطبيقات المحتملة لساعاتهم ، قارن فريق Kolkowitz تغيرات التردد بين كل زوج من ست ساعات متعددة الإرسال في حلقة. ووجدوا أن الاختلافات تصل إلى الصفر عندما يعودون إلى الساعة الأولى في الحلقة ، مما يؤكد اتساق قياساتهم ويضعون احتمالية تمكنهم من اكتشاف تغيرات طفيفة في التردد داخل تلك الشبكة.
“تخيل أن سحابة من المادة المظلمة تمر عبر شبكة من الساعات – هل هناك طرق يمكنني من خلالها رؤية المادة المظلمة في هذه المقارنات؟” يسأل Kolkowitz. “هذه تجربة يمكننا إجراؤها الآن ولا يمكنك إجراؤها في أي نظام تجريبي سابق.”
