از ساعت اتمی پیشرفته‌تر؛ معرفی اولین ساعت‌های هسته‌ای در سطح جهانی
فرارو- با شروع فعالیت اولین ساعت‌های هسته‌ای در دنیای علم، فرآیند سنجش زمان وارد یک مرحله تاریخی شده است، جایی که فیزیکدانان با بررسی دقیق هسته های اتم، تلاش دارند تا استانداردهای بنیادی زمان را ارتقاء دهند و از معماهای مربوط به فیزیک نوین پرده بردارند.
به گزارش فرارو به نقل از پاپ‌سای، این دوره جدید در فناوری سنجش زمان به صورت رسمی آغاز شده است. دو تیم تحقیقاتی مستقل، یکی در دانشگاه فنی وین واقع در اتریش و دیگری در دانشگاه چینگ‌هوا در پکن، موفق به طراحی و توسعه نخستین نمونه‌های پیشرفته از ابزاری به نام «ساعت هسته‌ای» شده‌اند؛ یک سیستم نوآورانه که بر مبنای ایزوتوپ توریم-۲۲۹ عمل می‌کند.
برخلاف ساعت‌های اتمی استاندارد که تغییرات در انرژی الکترون‌های موجود در اتم را دنبال می‌کنند، این نسل جدید از فناوری بر لیزری تمرکز دارد که فرکانس دقیقش برای تغییر حالت‌های درونی هسته تنظیم شده است. با در نظر گرفتن ثبات ذاتی هسته در برابر اختلالات محیطی، فیزیکدانان متقاعد هستند که این دستاورد راه را برای ایجاد دقیق‌ترین سیستم‌های سنجش زمان در تاریخ بشر هموار خواهد کرد.
برای درک اهمیت این پیشرفت شگرف، باید به دقت‌های کنونی توجه کرد. ساعت‌های اتمی پیشرفته که در حال حاضر وجود دارند، تنها یک ثانیه خطا در هر ۳۰۰ میلیون سال دارند. اما دانشمندان بر این باورند که ساعت‌های هسته‌ای مدرن قادر خواهند بود این دقت را به میلیاردها سال ارتقاء دهند. این پیشرفت شگفت‌انگیز نه تنها یک رکورد آزمایشگاهی است، بلکه به عنوان ابزاری حیاتی برای پاسخ به برخی از پیچیده‌ترین مسائل نظری در فیزیک محسوب می‌شود.
پژوهشگران امیدوارند با اتکا به این دقت بی‌نظیر، به کشف ماهیت پنهان و ناشناخته «ماده تاریک» و همچنین تغییرات احتمالی در اصول ثابت فیزیکی کیهانی بپردازند. نتایج دقیق این دو گروه علمی در قالب دو مقاله جداگانه در جدیدترین شماره نشریه معتبر «نیچر» منتشر شده است. تورستن شوم، استاد دانشگاه فنی وین و یکی از نویسندگان اصلی مقاله، بیان کرده است که بهره‌گیری مستقیم از هسته اتم به جای کل اتم، امکان دستیابی به دقتی فراتر از تمامی سیستم‌های فعلی را فراهم می‌آورد.
اکنون این پرسش مطرح است که سازوکار عملکردی ساعت‌های هسته‌ای چگونه است و چه تفاوت‌های بنیادی با نسل‌های گذشته دارند. شبکه کنونی ساعت‌های اتمی از ارکان اساسی زندگی مدرن به شمار می‌رود و برای عملکرد سیستم‌های موقعیت‌یاب جهانی (GPS)، هماهنگی ماهواره‌ها، شبکه‌های بانکی بین‌المللی و جریان مداوم اینترنت ضروری است. در ساعت‌های اتمی موجود، نوسان‌های یک لیزر به یک فرکانس خاص تنظیم می‌شود تا الکترون را بین دو تراز انرژی منتقل کند. با شمارش این نوسانات، ثانیه به عنوان واحد رسمی تعریف می‌شود.
اما ساعت هسته‌ای به یک ساختار بنیادی‌تر نفوذ می‌کند و تغییرات داخلی هسته را زیر نظر می‌گیرد؛ بخشی از اتم که حجم آن ده‌ها هزار بار کوچک‌تر از ساختار بیرونی است و به همین دلیل در برابر میدان‌های الکترومغناطیسی و نویزهای حرارتی محیط، مقاومت فوق‌العاده بالایی دارد.
نفوذ به هسته اتم و فعال‌سازی آن با لیزر معمولاً نیازمند انرژی بسیار بالایی در محدوده پرتوهای ایکس یا گاما است، که در فناوری‌های آزمایشگاهی مدرن امکان‌پذیر نیست. اما ایزوتوپ خاص «توریم-۲۲۹» یک استثنا نادر در دنیای فیزیک به شمار می‌رود. تراز انرژی این ایزوتوپ به یکدیگر بسیار نزدیک است، تا جایی که با پرتوهای لیزر فرابنفش استاندارد قابل جابه‌جایی است.
پرفسور شوم این روش را بسیار ساده توصیف می‌کند: شما یک پرتو لیزر و مقداری توریم دارید؛ لیزر حالت انرژی هسته توریم را تغییر می‌دهد و در پی آن، بازخورد این هسته فرکانس لیزر را پایدار می‌سازد تا یک تیک‌تاک بی‌نظیر و دقیق شکل بگیرد. با وجود این پیشرفت تاریخی، هنوز نیاز به زمان وجود دارد تا ساعت‌های هسته‌ای بتوانند جایگاهی برابر یا فراتر از ساعت‌های اتمی فعلی پیدا کنند.
کریستال‌های توریم مورد استفاده در پژوهش‌های پکن و وین در طی سال‌ها از طریق فرآیندهای حساس آزمایشگاهی پرورش یافته‌اند. داده‌های ابتدایی نشان می‌دهد که نمونه چینی حدود شش برابر از همتای اتریشی پایدارتر عمل می‌کند. از سوی دیگر، نمونه وین به عنوان نخستین سامانه‌ای محسوب می‌شود که به صورت فعال به پایداری رسیده، درست مانند ساعت‌های اتمی تجاری. به گفته پرفسور شوم در گفت‌وگو با رسانه‌های بین‌المللی، این اتفاق یک «رقابت جهانی فشرده اما دوستانه» را ایجاد کرده است.
در مرحله کنونی، این پیش‌نمونه‌ها هنوز خطایی در حدود یک ثانیه در هر ۳۰ میلیون سال دارند که تقریباً ده برابر کمتر از ساعت‌های سزیومی برای تعیین ثانیه بین‌المللی است. با این حال، کارشناسان بر این عقیده‌اند که با بهبود خلوص بلورهای توریم، بهینه‌سازی سیستم‌های اپتیکی و تقویت باریکه‌های لیزر، نسل‌های بعدی این ساعت‌ها در آینده‌ای نزدیک، رقبای کهنه‌کار اتمی خود را پشت سر خواهند گذاشت؛ رقابتی که سرنوشت استانداردهای جدید زمان را در دنیای معاصر مشخص خواهد کرد.