هذه بداية مقال أطول.
المحتوى: “
يُعدّ الوقت عنصراً حيوياً في سير حياتنا اليومية: من الساعات التي نضعها على معاصمنا إلى أنظمة تحديد المواقع في هواتفنا.
فهي تعتمد أنظمة الاتصالات، وشبكات الطاقة، والمعاملات المالية جميعها على دقة التوقيت. وتُعدّ الثواني وحدات القياس الحيوية في حفظ الوقت.
ومن المدهش، لا يزال هناك جدل حول تعريف الثانية. لكن التطورات الحديثة في أكثر أشكال حفظ الوقت دقة في العالم ربما تكون قد غيّرت قواعد اللعبة.
لطالما كان حفظ الوقت الدقيق جزءًا من التطور الاجتماعي للبشرية. ففي نصب نيوغرينج الأثرية من العصر الحجري الحديث في أيرلندا، توجد فتحة خاصة فوق المدخل تسمح لأشعة الشمس بإضاءة الممر والغرفة في أقصر أيام السنة، حوالي 21 ديسمبر، وهو يوم الانقلاب الشتوي.
قبل حوالي 2300 عام، قال أرسطو إن “دوران أبعد كرة في السماوات” ينبغي أن يكون المرجع لقياس الوقت. وقد اعتقد الفيلسوف اليوناني أن الكون كان مرتباً في كرات متحدة المركز، مع الأرض في المركز.
تُعد الساعات المائية، التي ظهرت حوالي عام 2000 قبل الميلاد، من أقدم أدوات قياس الوقت. وهي تقوم بذلك عن طريق تنظيم تدفق الماء إلى داخل أو خارج وعاء. ثم تم إنشاء الساعة الميكانيكية في أواخر القرن الثالث عشر.
حتى عام 1967، عُرّفت الثانية بأنها 1/86400 من اليوم، مع أربعة وعشرين ساعة في اليوم، وستين دقيقة في الساعة، و60 ثانية في الدقيقة (24 × 60 × 60 = 86400).
ثم غيّر النظام الدولي للوحدات الأمور، مُستقرًّا على هذا التعريف:
الثانية… تُعرّف بأخذ… تردد انتقال ذرّة السيزيوم 133، ليكون 9,192,631,770 عندما يُعبّر عنه بوحدة هرتز، وهو ما يُساوي s⁻¹.
إذا كنت مرتبكًا، اسمح لي بتوضيح الأمر. جوهر هذا التعريف هو شيء يُسمّى تردد الانتقال. يحدث الانتقال عندما تمتص الإلكترونات في الذرّة طاقة وتنتقل إلى مستوى طاقة أعلى، ثم تعود إلى حالتها المُسترخية بعد مرور بعض الوقت.
يشبه الأمر إلى حدّ ما شرب فنجان من القهوة: فجأةً، يزداد لديكِ الطاقة، إلى أن يزول تأثير الكافيين. والتردد هو العدد المُتوقّع لحدوث الانتقال خلال فترة زمنية مُحدّدة.
في كل ثانية، يحدث انتقال محدد لإلكترون من السيزيوم-133 9,192,631,770 مرة. وقد أصبح هذا هو مقياس قياس الزمن. وحتى الآن، يوفر السيزيوم أكثر تعريف دقيق للثانية، ولكن يمكن تحسينه باستخدام ترددات أعلى.
كلما زاد تردد الانتقال، قل تأثير خطأ القراءة المفرد على الدقة الكلية. فلو كان هناك خمسون انتقالًا في الثانية، لكان ثمن خطأ العد واحداً أكبر بمئة مرة مما لو كان هناك 5000.
هناك قيدان للحد من هذا الخطأ: التحديات التكنولوجية لقياس الترددات، وخاصة الترددات الأعلى؛ والحاجة إلى إيجاد نظام – ذرات السيزيوم-133 للثانية – له انتقال عالي التردد قابل للقياس.
لقياس تردد مجهول، يأخذ العلماء إشارة ذات تردد معروف – مرجع – ويجمعونها بالتردد الذي يريدون قياسه. سيكون الفرق بينهما إشارة جديدة بتردد صغير يسهل قياسه: تردد الضرب.
تستخدم الساعات الذرية هذه التقنية لقياس تردد انتقال الذرات بدقة عالية لدرجة أنها أصبحت معايير لتعريف الثانية. لتحقيق هذه الدقة، يحتاج العلماء إلى إشارة مرجعية موثوقة، يحصلون عليها بشيء يسمى مشط التردد.
يستخدم مشط التردد الليزر، المُشعّ على شكل نبضات متقطعة. تحتوي هذه الأشعة على العديد من الموجات الضوئية المختلفة، التي تتباعد تردداتها بالتساوي، مثل أسنان المشط – ومن هنا جاء الاسم.
في الساعات الذرية، يُستخدم مشط التردد لنقل الطاقة إلى ملايين الذرات في وقت واحد، على أمل أن يتوافق أحد أسنان المشط مع تردد انتقال ذرة ما.
يُزيد مشط التردد الذي تكون أسنانه عديدة، ورقيقة، وفي النطاق الصحيح من الترددات، من فرص حدوث ذلك. لذلك، فهي أساسية لتحقيق قياسات عالية الدقة لإشارة مرجعية.
من الساعات الذرية إلى الساعات النووية
كما رأينا، تُعرّف الثانية من خلال انتقالات الإلكترونات في ذرات السيزيوم. انتقالات تحدث بتردد أقل سهلة القياس. ولكن تلك التي تحدث بتردد أعلى تساعد على زيادة دقة القياس.
تحدث انتقالات السيزيوم عند ترددات قريبة من ترددات الموجات الميكروية في الطيف الكهرومغناطيسي. هذه الترددات الميكروية أقل من ترددات الضوء المرئي.
ولكن في سبتمبر 2021، قام العلماء بإجراء قياسات باستخدام عنصر السترونشيوم، الذي يتجاوز تردد انتقاله تردد السيزيوم ويقع ضمن نطاق الضوء المرئي. وهذا يفتح إمكانية إعادة تعريف الثانية بحلول عام 2030.
في سبتمبر 2024، حقق علماء أمريكيون تقدمًا هامًا نحو بناء ساعة نووية – وهي خطوة تتجاوز الساعة الذرية. وعلى عكس الساعة الذرية، فإن الانتقال الذي تقيسه هذه الأداة الجديدة يحدث في نواة الذرة (ومن هنا جاء اسمها)، مما يمنحها ترددًا أعلى.
يُتيح الثوريوم-229، وهو الذرّة المستخدمة في هذه الدراسة، انتقالًا نوويًا يمكن إثارته بواسطة ضوء فوق بنفسجي. وقد تَغَلّب الفريق العامل على الساعة النووية على التحدي التكنولوجي المتمثل في بناء مشط تردد يعمل في نطاق الترددات العالية نسبيًا للضوء فوق البنفسجي.
كانت هذه خطوة كبيرة إلى الأمام لأن الانتقالات النووية عادةً ما تصبح مرئية فقط عند ترددات أعلى بكثير – مثل تلك الخاصة بالإشعاع الغاما. لكننا لسنا قادرين على قياس الانتقالات بدقة في نطاق أشعة غاما حتى الآن.
يبلغ تردد انتقال ذرة الثوريوم حوالي مليون مرة أعلى من تردد ذرة السيزيوم. وهذا يعني أنه على الرغم من قياسه بدقة أقل من دقة ساعة السترونتيوم المتطورة حاليًا، إلا أنه يبشر بجيل جديد من الساعات ذات تعريفات أكثر دقة للثانية.
إن قياس الوقت حتى المكان العشري التاسع عشر، كما يمكن للساعات النووية أن تفعل، سيسمح للعلماء بدراسة العمليات السريعة جدًا. تخيل عداءين متعادلين في خط النهاية. إذا كانت ساعة توقيت الحكم تحتوي على أرقام عشرية إضافية قليلة، فسيكون قادرًا على تحديد الفائز.
وبالمثل، النسبية العامة تُستخدم لدراسة العمليات عالية السرعة التي قد تؤدي إلى تداخلات مع ميكانيكا الكم. ستمنحنا الساعة النووية التكنولوجيا اللازمة لإثبات هذه النظريات.
على الصعيد التكنولوجي، تعتمد أنظمة تحديد المواقع الدقيقة مثل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على حسابات معقدة تتطلب قياسات دقيقة للوقت الذي تستغرقه الإشارة للانتقال من جهاز إلى قمر صناعي ثم إلى جهاز آخر.
وسيؤدي تعريف أفضل للثانية إلى زيادة دقة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بشكل كبير. قد يكون وقت الثانية القائمة على السيزيوم قد انتهى، لكن عالماً جديداً كلياً ينتظرنا بعده. 
فيتوريو أيتا، باحث مشارك، قسم الفيزياء، كلية كينغ لندن
أعيد نشر هذه المقالة من The Conversation بموجب ترخيص المشاع الإبداعي. اقرأ المقال الأصلي.
المصدر: المصدر