الساعات النووية تجلب الوقت الذري إلى داخل النواة

لأكثر من سبعين عامًا، حافظت أدق الساعات في العالم على الوقت من خلال مراقبة قفز الإلكترونات بين مستويات الطاقة في الذرات. الآن دفع الفيزيائيون نفس الحيلة خطوة أعمق — إلى داخل النواة نفسها. أعلن فريقان بحثيان، أحدهما بقيادة علماء في جامعة تسينغهوا في الصين والآخر يضم عدة دول أوروبية، في مجلة Nature أنهما بنيا كل على حدة ساعة نووية من الثوريوم-229 تعمل في حلقة مستقرة ذاتية التصحيح. إنها المرة الأولى التي يستند فيها مرجع زمني عامل إلى مستويات الطاقة داخل النواة الذرية بدلاً من سحابة الإلكترونات المحيطة بها. وصف تورستن شوم، عالم الفيزياء الذرية في جامعة TU Wien في النمسا وعضو بارز في الفريق الأوروبي، هذا الإنجاز بأنه حلم تحقق، مشيرًا إلى أن هذا المجال كان حتى وقت قريب مجرد تخصص ضيق هادئ.

يكمن جاذبية الثوريوم-229 في خصوصية من الفيزياء النووية. تحتاج معظم النوى الذرية إلى طاقة هائلة للانتقال بين الحالات، مما يجعلها بعيدة عن متناول الليزرات العادية. يمتلك الثوريوم-229 حالة مثارة منخفضة بشكل غير عادي، يمكن الوصول إليها بالضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. وهذا يجعل من الممكن قيادة الانتقال بالليزر وقراءة النبضات، بنفس الطريقة التي تعمل بها الساعات الذرية البصرية.

النواة أصغر بكثير من الذرة ومحمية بشكل أفضل بكثير من العالم الخارجي، لذا يجب أن تكون الساعة النووية أقل اضطرابًا بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية الشاردة وتقلبات درجة الحرارة. يتوقع الباحثون أن يترجم ذلك إلى استقرار أكبر، وفي النهاية دقة أفضل من أفضل الساعات البصرية الحالية، التي لولا ذلك تخسر أقل من ثانية على مدى عمر الكون.

وصلت النتيجتان في وقت واحد تقريبًا وبطرق تقنية مختلفة، وهذا في حد ذاته دال. تقارب مجموعات متنافسة على نفس الإنجاز يشير إلى أن المشكلات الهندسية الصعبة — إيجاد الطول الموجي الصحيح لليزر، وتثبيته على الانتقال، والحفاظ على تشغيل النظام بأكمله بثبات — يتم حلها الآن بدلاً من مجرد التنظير لها. أظهر الفريقان الصيني والأوروبي كل على حدة حلقة مغلقة، مما يعني أن الساعة يمكنها تصحيح نفسها باستمرار بدلاً من الاعتماد على قياسات متقطعة.

لماذا يهم أي من هذا خارج مختبر القياس؟ الساعات الأفضل تشحذ أقمار الملاحة الصناعية وشبكات الاتصالات والطوابع الزمنية التي تعتمد عليها الأنظمة المالية. كما أنها تدعم اختبارات الفيزياء الأساسية: يمكن لساعة حساسة للقوى النووية أن تتحقق مما إذا كانت ثوابت الطبيعة ثابتة حقًا، وتبحث عن تأثيرات خفية لا تستطيع الساعات الذرية العادية رؤيتها. كما طرح بعض الباحثين الانتقالات النووية كطريق نحو معايير تردد أكثر دقة للأجيال القادمة من التكنولوجيا.

لا يزال العمل بعيدًا عن أداة تجارية. تظل الساعات النووية آلات مختبرية حساسة وشرهة لليزر، وسيستغرق تحويلها إلى أجهزة قوية سنوات. لكن اتجاه السفر واضح. السباق العالمي في القياس الكمي الدقيق — وهو مجال يشمل الساعات الذرية وأجهزة استشعار الجاذبية والمقاييس المغناطيسية الكمية — يحتدم، ونتيجة الثوريوم تنقل فكرة غريبة إلى عالم الأجهزة العاملة.

بالنسبة للمجتمع العلمي الصيني، نتيجة تسينغهوا علامة على مدى تقدم البحث الكمي المحلي. أصبحت المختبرات الصينية مساهمين منتظمين في طليعة القياس الدقيق، إلى جانب مجموعات راسخة منذ فترة طويلة في أوروبا وأمريكا الشمالية. كما يشير النشر شبه المتزامن إلى واقع عملي: لا يزال التقدم في هذا المجال يعتمد على المعرفة المشتركة والتعاون عبر الحدود والنشر المفتوح، حتى مع اشتداد المنافسة.

في الوقت الحالي، أفضل فهم للإنجاز هو أنه إثبات مبدأ ذو ذيل طويل. الساعة التي تحفظ الوقت داخل النواة لم تعد تجربة فكرية. سيقرر العقد القادم مدى دقتها، وأي التطبيقات — من الجيوديسيا إلى الفيزياء الأساسية — ستكون أول من يستفيد من نبضة تأتي من قلب الذرة.