الساعة الذرية

الساعة الذرية هي أكثر طرق تحديد الوقت دقةً في العالم تم تصميمها لقياس الوقت اعتمادًا على الاهتزازات داخل الذرات، وتُستخدم هذه الساعات لمزامنة الأنظمة التي تتطلب أعلى مستويات الدقة والضبط  كنظام تحديد الموقع العالمي GPS والإنترنت، ويوجد حول العالم مجموعةٌ من الساعات الذرية في عدة أماكن متزامنةً مع بعضها لإيجاد وقتٍ عالميٍّ منسَّق (UTC).

تم تصميم الساعات الذرية لقياس زمن الثانية بدقةٍ، الواحدة الأساسية لضبط الوقت، وقد عرّف نظام الوحدات الدولي (SI) الثانية على أنها الزمن الذي تحتاجه ذرة سيزيوم-133 في حالةٍ محددةٍ بدقةٍ لتتذبذب 9 مليارات و192 مليون و631 ألف و770 مرة بالضبط، وحسب التعريف الرسمي فالثانية هي المدة اللازمة لحدوث 9,192,631,770 ذبذبةً للإشعاع الناتج عن انتقال الإلكترونات بين مستويي طاقةٍ شديدي الدقة لذرة سيزيوم-133 في حالتها المستقرة، ويشير هذا التعريف إلى ذرة سيزيوم في حالة راحةٍ بدرجة حرارة (0) كلفن.

اقترح البروفيسور إيسيدور رابي، أستاذ الفيزياء في جامعة كولومبيا، عام 1945 صنع ساعةٍ معتمدةٍ على تقنيةٍ قام بتطويرها في ثلاثينيات القرن العشرين وهي الرنين المغناطيسي النووي في الحزم الجزيئية، وفي عام 1949 أعلن المكتب الوطني للمعايير NBS (المعروف حاليًا بالمعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا NIST) عن أول ساعةٍ ذريةٍ في العالم (NBS-1) والتي تعمل على جزيئات الأمونيا كمصدرٍ للاهتزاز، وفي عام 1952 أُعلن عن أول ساعةٍ ذرية تستخدم ذرات السيزيوم كمصدرٍ للاهتزاز.

قام المختبر الوطني للفيزياء في بريطانيا عام 1955 ببناء أول ساعة تعتمد على السيزيوم، وتم تطويرها خلال العقد التالي وصنع أشكالٍ محدثة منها. وفي عام 1967 عرّف المؤتمر الثالث عشر لوحدات القياس الثانية على أساس تذبذبات ذرة السيزيوم، واكتمل بناء NBS-4، الساعة الذرية الأكثر دقةً في العالم، عام 1968 واستُخدمت في تسعينيات القرن العشرين كجزءٍ من نظام توقيت NIST، وفي عام 1999 بدأت NIST-F1 بالعمل لتصبح أكثر الساعات التي تم صنعها دقةً.

قبل البدء بالحديث عن مبدأ عمل الساعة الذرية سنتحدث عن عمل الساعات الأخرى أولًا، فالساعات البندولية (ساعات الرقاص) يكون المرنان فيها هو الرقاص وتحافظ المسننات على تعقب الوقت اعتمادًا على حساب عدد مرات حركة الرقاص ذهابًا وإيابًا، وعادةً ما يكون تواتر الرقاص حركةً واحدةً في الثانية، وتستخدم الساعات الرقمية إما تذبذبات خط الطاقة (60 دورةً في الثانية في الولايات المتحدة الأمريكية، و50 دورةً في الثانية في أوروبا) أو تذبذبات بلورات الكوارتز كمرنانٍ لها، وتحسب باستخدام عدّاداتٍ رقمية، وتحدَّد دقة الساعة بدقة المرنان في التردد المحدد.

أما الساعة الذرية فتستخدم ترددات رنين الذرات كمرنانٍ لها، ويُضبط هذا المرنان عن طريق تردد الإشعاع الكهرومغناطيسي ذي الموجات الدقيقة المنبعثة أو التي تم امتصاصها بسبب تحول طاقة ذرةٍ أو جزيء، وميزة هذه الطريقة هي أن الذرات تصدر رنينًا عند تردداتٍ شديدة الثبات، فمثلًا ستعطي ذرة السيزيوم رنينًا عند نفس التردد تمامًا كغيرها من ذرات السيزيوم، فالسيزيوم-133 يتذبذب عند وصوله إلى 9,192,631,770 دورةً في الثانية، وهكذا فإن هذا النوع من الدقة في الساعة الذرية مختلفًا تمامًا عن دقة ساعات الكوارتز التي تكون بلوراتها مصنّعةً وتردد ذبذباتها أقرب ما يكون إلى تواترٍ قياسيٍّ، لكن تختلف كل بلورةٍ عن الأخرى بمقدارٍ بسيطٍ، وعواملٌ كالحرارة قادرةٌ على تغيير التردد، بينما تصدر ذرة السيزيوم رنينًا عند نفس التردد دائمًا مما يجعل منها ساعةً قيمةً ودقيقةً جدًا.

وتعتمد دقة الساعة الذرية على عاملين، الأول هو حرارة الذرات، فتتحرك الذرات الأكثر برودة ببطءٍ أكثر، والعامل الثاني هو التردد (التواتر) والاتساع الذاتي للانتقال الإلكتروني، فالترددات الأعلى والخطوط الأضيق تزيد من الدقة.

يتم أولًا تسخين الذرات في فرنٍ وتُجمع في حزمةٍ، وتملك كل ذرةٍ منها حالتين محتملتين من الطاقة يطلق عليهما اسم مستويات فائقة الدقة، وسنطلق عليهما تجاوزًا اسم المستوى A والمستوى B. يقوم حقلٌ مغناطيسي بإزالة كل الذرات في المستوى B من الحزمة لتبقى ذرات المستوى A فقط التي تُرسَل عبر مرنانٍ حيث تتعرض لإشعاع موجاتٍ كهرومغناطيسيةٍ قصيرة، مما يدفع بعض الذرات لتصبح من المستوى B، بينما تتم إزالة باقي الذرات التي بقيت من المستوى A بواسطة حقلٍ مغناطيسيٍّ ثانٍ، ويقوم كاشفٌ بعدِّ كل الذرات التي تحولت إلى المستوى B.

تعتمد نسبة الذرات التي تتغير حالتها خلال عبورها المرنان على تواتر إشعاع الموجات القصيرة، فكلما كان متزامنًا مع تردد التذبذب المتأصل ازداد عدد الذرات التي تتغير حالتها، والغاية من ذلك هي الضبط التام لتواتر الأمواج الكهرومغناطيسية القصيرة مع تذبذب الذرات ومن ثم قياسها، وبعد حدوث 9,192,631,770 تذبذب بالضبط تكون قد مضت ثانية واحدة.

توجد عدة أنواعٍ للساعات الذرية لكنها جميعها تحمل نفس مبدأ العمل،
وهذه الأنواع هي:

قاد تطوير الساعة الذرية إلى تطورٍ في المجالات العلمية والتقنية كالإنترنت و نظام GPS وتطبيقات الإنترنت التي تعتمد بشكلٍ رئيسيٍّ على التردد ومعايير الوقت، كما تُستخدم في أنظمة البث الإذاعي لضبط التردد سواء على موجات البث الطويلة أو المتوسطة، وفي العديد من الأنظمة العلمية كقياس التداخل على خطٍ قاعديٍّ طويل في الرصد الفلكي الراديوي.