“العمل المخيف عن بعد” يمكن أن يخلق ساعة مثالية تقريبًا

بالعربي/ يتخيل الفيزيائيون يومًا سيكونون فيه قادرين على تصميم ساعة دقيقة للغاية ، يمكنها اكتشاف المادة المظلمة.

يتخيل الفيزيائيون يومًا سيكونون فيه قادرين على تصميم ساعة دقيقة للغاية ، حيث سيتم استخدامها لاكتشاف الاضطرابات الدقيقة في الزمكان أو للعثور على المادة المظلمة المراوغة التي تسحب كل شيء ولكنها لا تصدر أي ضوء. سيكون دقات هذه الساعة مثاليًا تقريبًا.

قد لا يكون هذا الحلم بعيد المنال: ابتكرت مجموعة من الباحثين ساعة ، مع بعض التعديلات ، يمكن أن تكون أكثر دقة من أربع إلى خمس مرات من أفضل الساعات في العالم. ولوضع ذلك في الاعتبار ، إذا بدأت الساعات الأكثر دقة اليوم تدق عند ولادة الكون ، فإنها ستتوقف بمقدار نصف ثانية فقط اليوم ؛ مع مزيد من التحسينات ، هذه الساعة الجديدة لديها القدرة على التوقف بمقدار 0.1 ثانية فقط. 

قال فلادان فوليتيتش ، أستاذ الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وكبير مؤلفي ورقة بحثية حديثة تصف العمل: “الساعات الذرية هي إلى حد بعيد أكثر الأدوات التي صنعها البشر دقةً على الإطلاق بمقاييس عديدة من حيث الحجم”. وأضاف الآن ، “نحن ندفع هذه الحدود” إلى أبعد من ذلك.

تدق الساعات الذرية حسب حركة الذرات . منذ الستينيات ، تعتمد الساعات الذرية المسؤولة عن الحفاظ على التوقيت العالمي وتحديد “ثانية” على ذرات السيزيوم . هذه الساعات تقصف ذرات السيزيوم بأفران الميكروويف وتقيس الوقت حيث تتأرجح الإلكترونات من مستوى طاقة أقل (يسمى الحالة الأرضية) إلى مستوى أعلى (حالة مثارة) ، حسبما ذكرت Live Science سابقًا . 

في العقد الماضي ، طور الباحثون “ساعات بصرية” تكون أكثر دقة بمئة مرة من الساعات الذرية للسيزيوم. تستخدم هذه الساعات الليزر – أو الضوء المرئي – لإثارة ذرات عناصر مثل الألومنيوم أو الإيتربيوم ؛ الضوء المرئي له تردد أعلى من الموجات الدقيقة ، وبالتالي يمكن أن يثير الذرات لتتأرجح 100000 مرة أسرع مما يمكن أن تثيره أفران الميكروويف ذرات السيزيوم. يضيف هذا التذبذب الأسرع المزيد من نقاط البيانات إلى قياس الثانية ، مما يجعله أكثر دقة. قريبًا ، سيكون هناك “إعادة تعريف رسمية للثانية” باستخدام هذه الساعات الضوئية الأكثر دقة ، كما قال Vuletić لـ Live Science. 

عدم اليقين

لكن حتى هذه الساعات الذرية الضوئية الخالية من الأخطاء تقريبًا لا يمكنها قياس الوقت بشكل مثالي ، لأنها تقع ضحية لقواعد ميكانيكا الكم ، القواعد الغريبة التي تحكم حديقة حيوانات الجسيمات دون الذرية. الذرات التي تدير الساعة صغيرة جدًا بحيث لا يمكن تحديد حالاتها بدقة ، لذلك يتم تحديدها من خلال الاحتمالات. لذلك ، فإن الإلكترون ليس في حالة إثارة أو حالة أرضية ، ولكن لديه بعض الاحتمالية في أن يكون في مستويات طاقة متعددة في وقت واحد.

قال فوليتيتش إن محاولة قياس حالة ذرة واحدة هي بمثابة تقليب عملة معدنية ، لأن القياس الفعلي “يجبر” الذرة على اختيار إما الحالة الأرضية أو الحالة المثارة ، ولكن “لن تجد شيئًا بينهما”. عدم اليقين في القياس يجعل من المستحيل معرفة الوقت المثالي. عندما تزيد عدد الذرات في الساعة (والذي يمكن اعتباره عدد رميات العملة) وتبدأ في أخذ متوسط ​​عدد الذرات المتحمسة وعدد الذرات غير ذلك ، تبدأ القياسات في أن تصبح أكثر دقة.

كلما أضفت ذرات أكثر ، كلما قل الخطأ في القياس أو عدم اليقين – ما يعرف بـ “حد الكم القياسي” – سيكون. نظرًا لأن دقة المقاييس كجذر تربيعي لعدد العملات المعدنية ، فإن رمي 10000 قطعة نقدية أكثر دقة 10 مرات من رمي 100 ، على سبيل المثال ، على حد قول فوليتيتش. 

لهذا السبب تقيس الساعات الضوئية اليوم الوقت عن طريق حساب متوسط ​​اهتزازات آلاف الذرات. لكن حتى هذه الطريقة لا يمكنها التخلص من حد الكم القياسي. قبل عقد من الزمان ، كان لدى Vuletić وفريقه ، جنبًا إلى جنب مع باحثين من جامعة بلغراد في صربيا ، فكرة عن كيفية التغلب على هذا القيد: تشابك الجسيمات. تشابك الكم- أو “العمل المخيف عن بعد” كما أطلق عليه ألبرت أينشتاين – هو فكرة أن مصائر الجسيمات الدقيقة مرتبطة ببعضها البعض حتى لو كانت تفصل بينها مسافات طويلة. لذلك ، من خلال تشابك الذرات التي تحافظ على الوقت ، قد يتمكن العلماء من الحفاظ على كل زوج أو مجموعة من الذرات المتشابكة في نفس الحالة وبالتالي تتأرجح عند ترددات مماثلة ، مما يسمح للساعة بالتغلب على الحد الكمي القياسي وقياس الوقت بدقة أكبر. .

قال فوليتش: “تشابك الذرات يجعل القذف أقل عشوائية ، إذا جاز التعبير”. “لا يزال قذف كل ذرة على حدة عشوائيًا ، لكن كل عمليات القذف معًا أقل عشوائية من تلك التي تحدث في الذرات المستقلة.” إنه مشابه لوضع 100 قطعة نقدية على طاولة ، و 50 رأسًا للأعلى و 50 طرفًا للأعلى. إذا التقطت أي عملة معدنية دون النظر ، فستكون رؤوسًا أو ذيلًا بشكل عشوائي. ولكن بمجرد التقاط جميع العملات ، سيكون هناك عدد متساوٍ تمامًا من الرؤوس وذيول. قال: “التشابك الكمي يشبه ذلك إلى حد ما”.

الآن ، وضعوا فكرتهم على المحك.

للقيام بذلك ، وضع فوليتيتش وفريقه 350 ذرة من الإيتربيوم بين مرآتين. ثم أطلقوا شعاع ليزر يرتد ذهابًا وإيابًا بين المرايا. عندما اصطدم الضوء بالذرة الأولى ، غيّرت الذرة الضوء. ثم غيَّر هذا الضوء الذرة الثانية ، ثم الثالثة ، ثم البقية ، حتى تشابكت جميعًا وبدأت تتأرجح مع أطوار مماثلة. بعد ذلك ، استخدم الفريق ليزرًا آخر لقياس متوسط ​​التردد الذي تتأرجح فيه هذه الذرات. 

عندما أجرى الفريق تجربتين – واحدة مع ذرات متشابكة والأخرى بدون – وجدوا أن الذرات المتشابكة كانت قادرة على قياس الوقت بنفس الدقة ، ولكن أسرع بأربع مرات. ووجدوا أيضًا أنه عندما تم قياس الساعتين لنفس المقدار من الوقت ، كانت الساعة المتشابكة أكثر دقة.

ومع ذلك ، ما زال أمام الفريق بعض التغيير والتبديل. قال Vuletić إن الليزر الذي استخدموه حاليًا ليس مستقرًا كما كانوا يأملون ، لذا فإن الساعة “ليست بمستوى أداء أفضل الساعات التي لا تستخدم التشابك.” ومع ذلك ، باستخدام تعديلات على الليزر ، فإن استخدام الذرات المتشابكة لديه القدرة على جعل الساعات الضوئية أكثر دقة.

في المستقبل ، يريد الفريق أيضًا أن يُظهر أنه باستخدام أكثر من ساعة ذرية ، “يمكنك جعل هذه الميزة التي اكتسبتها من التشابك الكمي أفضل” ، على حد قول فوليتيتش. وأضاف أنه في النهاية ، قد يكون لديك عدة ساعات على مسافات طويلة تستخدم التشابك وتوضح الوقت بشكل أكثر دقة.محتوى ذو صلة

قد يكون للساعات شديدة الدقة تطبيقات في النهاية تتجاوز معرفة الوقت. قال فوليتش: “يعتمد الوقت على الجاذبية ” ، مشيرًا إلى فكرة أنه بسبب النسبية ، فإن الأجسام الضخمة (التي لها قوة جاذبية أعلى) تشوه الزمكان ، مما يؤدي إلى إبطاء الوقت. 

لذا ، إذا كان لديك ساعتان ورفعت إحداهما بمقدار 1 قدم (0.3 متر) ، “عند هذين الارتفاعين ، فإن الوقت في الواقع يسير بشكل مختلف.” عندما تصبح هذه الساعات أكثر دقة ، يمكن استخدامها لاكتشاف كيفية تغير الوقت ، وبالتالي الكشف عن تأثيرات الجاذبية الدقيقة في الكون ، مثل التموجات في الزمكان والمعروفة باسم موجات الجاذبية. نظرًا لأن المادة المظلمة تمارس أيضًا قوة الجاذبية ، فإن التغييرات الدقيقة في تواتر الوقت يمكن أن تكشف عن طبيعة المادة المظلمة التي تحيط بنا ، على حد قوله.

حتى أن هناك تكهنات بأن ما يسمى بالثوابت المطلقة في عالم الفيزياء ، مثل سرعة الضوء أو شحنة الإلكترونات ، قد يتغير مع توسع الكون. ولأن هذه الثوابت تحدد قوانين الفيزياء التي تحكم مستويات الطاقة في الذرة ، فقد تغير أيضًا قياس الوقت ، كما قال. لذلك من الممكن أن “يتغير جوهر الوقت مع توسع الكون.”

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com