یک ساعت اتمی جدید با چنان دقتی توسط فیزیک‌دانان در آمریکا و استرالیا پیشنهاد شده است که در زمانی معادل با طول عمر جهان^۱ تنها ۴۰ میلی ثانیه خطا دارد. به‌ گفته سازندگان، اگر در ساخت این ساعت‌‌ از یک نوع اتم بیسموت که تعداد ۲۵ الکترون از آن کنده شده است استفاده کنیم، به کمک آن می‌توانیم تغییرات احتمالی موجود در اندازه ثابت ساختار ریز را اندازه‌گیری کنیم. کشف چنین تغییراتی به ساخت یک نظریه وحدت جدید در فیزیک کمک خواهد کرد.

امروزه بهترین ساعت‌ها از فرکانسِ گذارِ اتمی به عنوان یک معیار زمانیِ استاندارد، برای اندازه‌گیری زمان با دقتی بسیار بالا (با گذشت ۱۰^۱۷ ثانیه یک ثانیه خطا باشد) استفاده می‌کنند. فیزیک‌دانان به دنبال ساعت هایی با دقت‌های بالاتر هستند. اگر ساعتی با دقت اندازه‌گیری بالاتری (با گذشت ۱۰^۱۹ ثانیه یک ثانیه خطا باشد) داشته باشیم می‌توان تغییراتِ بسیار کوچک در مقدار ثابت‌های بنیادی مثل ثابت ساختار ریز را مشخص کرد. گفتنی است این پارامتر قدرت برهمکنش الکترومغناطیسی را مشخص می‌کند. به کمکِ بررسی تغییرات احتمالی در مقدار ثابت ساختار ریز می‌توانیم به بزرگترین معمای فیزیک پاسخ دهیم. این كه چطور مي‌شود در چارچوب يك نظريه، هر چهار نیروی بنیادی طبیعت (گرانش، الکترومغناطیس، هسته‌ای قوی و هسته‌ای ضعیف) را توضيح دهيم.

در مارس ۲۰۱۲ گروهی به رهبری کورِی کَمپل در مؤسسه جورجیا نشان دادند که برای دست‌‌یابی به چنین دقتی باید از گذار هسته‌ای خاص موجود در یون توریوم-۲۲۹ (دارای بار ۳+ است) استفاده کنیم. به هر حال برای ساخت چنین ساعتی دو مشکل وجود دارد. مشکل اول طاقت فرسا بودنِ محاسبهٔ دقیق فرکانس گذار یون توریوم است. دوم این که توریوم پرتوزا بوده و کار کردن با آن دشوار است.

حل مشکل به کمک یون‌های با بار بالا

سه نفر از همکاران کمپل برای دست‌یابی به چنین دقتی، استفاده از یون‌های به شدت باردار را پیشنهاد کرده‌اند. آندِری دِرویانکو از دانشگاه نِوادا در رِنو و ولادیمیر ژوبا و ویکتور فلمبائوم از دانشگاه نیو ولز در سیدنی به بررسی ساعت‌های اتمی مرسوم پرداختند. آن‌ها می‌خواستند ببینند، آیا خطای مربوط به این ساعت‌ها در ساعت‌های جدید نیز ظاهر می‌شود؟

امروزه برای ساخت‌ دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی از یون‌های آلومینیومی (⁺Al) که توسط امواج الکترومغناطیسی گیر افتاده‌اند، استفاده ‌می‌کنند. به هر حال میدان‌ها، اختلالی در ترازهای انرژی یون ایجاد می‌کنند به شکلی که عملکردِ ساعت کم خواهد شد. دِرویانکو و همکارانش استدلال کردند وقتی الکترون‌ها بیشتر و بیشتر از یون کنده شدند الکترون‌های باقی مانده به هسته نزدیک‌تر می‌شدند و از این جهت میدان‌ها اثر مخرب کم‌تری روی عملکرد ساعت خواهند داشت.

پس از محاسبات فراوان محققان دریافتند که یک گذار الکترونی خاص در یک یون بیسموت-۲۰۹  (^۲۵+۲۰۹Bi) دقت مورد نیاز را فراهم می‌کند. گفتنی است این گذار تا‌کنون مشاهده نشده است. با این حال دِرویانکو توضیح می‌دهد: در مقابلِ انجام محاسباتی مبنی بر تعیین گذارهای هسته‌ای،‌ محاسبات مربوط به تعیین گذار بین ترازهای الکترونی قابل اعتمادتر است. از طرفی اینکه گذار بین کدام دو تراز انجام شود، دقیق‌تر تعیین می‌شود. علاوه بر این بیسموت-۲۰۹ نیم-عمری بیشتر از ۱۰ بیلیون بیلیون سال دارد، بنابراین می‌تواند یونی غیر پرتوزا در نظر گرفته شود.

                        بیسموتِ خوش‌ترکیب

فناوری جدید، چالش‌های جدید

دِرویانکو و دو همکار دیگرش می‌گویند با اینکه ساخت چنین ساعتی دشوار است اما شدنی است. فِلَمبائوم توضیح می‌دهد: گیراندازی و سردسازیِ یون‌های با بار بالا، به مراتب سخت‌تر است. این تکنیکی نوظهور است که به تازگی مطرح شده است و افرادی این کار را انجام می‌دهند. کار کردن با اتم‌های خنثی و اتم‌های یک‌‌بار یونیده بسیار ساده‌تر است به این دلیل است که دیگران ابتدا آن‌ها را مورد بررسی قرار داده‌اند. اما زمان آن رسیده است که این تکنیک‌ها را برای دیگر موارد (یون‌های با بار بالا) به کار ببریم.

هِلن مارگولیس یک متخصص در زمینه ساعت‌های اتمی از آزمایشگاه فیزیک بین‌المللی در تِدینگتون از این ایده استقبال می‌کند اما باور دارد چالش‌های بسیاری قبل از آنکه این ایده بتواند به مرحله آزمایشگاهی برسد، به وجود خواهد آمد. او می‌گوید: مردم در ابداع روش‌های جدید بسیار باهوش اند. اما کار کردن با یون‌هایی از این دست (با بار بالا) قطعاً آسان نیست و آن‌ها بایستی کارهای بسیاری انجام دهند که تا اکنون هرگز انجام نشده است.

۱- طول عمر جهان تقریباً ۱۰^۱۷ ثانیه است.

منبع: