أول ساعة ذرية، والتي استخدمت الترددات الرنانة للذرات للحفاظ على الدقة في قياس الوقت، ولدت في المختبرات الفيزيائية الوطنية في بريطانيا.
جهاز القياس الدقيق للوقت، الذي يتحكم في جميع جوانب حياتنا اليومية، الساعة الذرية، يحتفل بيوبيله.
أول ساعة ذرية، والتي استخدمت الترددات الرنانة للذرات للحفاظ على الدقة في قياس الوقت، ولدت في المختبرات الفيزيائية الوطنية في بريطانيا. تم تصميم الساعة الذرية لإنتاج معيار للتوقيت العالمي المنسق (UTC)، والذي يستخدم لقياس الوقت بشكل قانوني في جميع أنحاء العالم. تعتبر الساعة ضرورية لمجموعة متنوعة من التقنيات مثل الأقمار الصناعية لتحديد المواقع العالمية (GPS) وتوقيت إشارة التلفزيون.
تعد الدقة الدقيقة لقياس الوقت ضرورية أيضًا للأحداث المتزامنة الأخرى، مثل، على سبيل المثال، توزيع وإدارة الكهرباء، فضلاً عن تحويلات الأموال في جميع أنحاء العالم. وحتى ساعة بيج بن في لندن تعتمد على الساعة الذرية للحفاظ على دقتها.
تم تطوير أول ساعة سيزيوم دقيقة في المختبرات الفيزيائية الوطنية (NPL) في بريطانيا العظمى في عام 1955، على يد الدكتور لويس إيسن. ومع ذلك، تم اقتراح الفكرة لأول مرة من قبل اللورد كالفين في عام 1879. وقال إن قياس الوقت على أساس الطريقة التي تتصرف بها الذرات سيكون طريقة أفضل لقياس الفواصل الزمنية بين أي شيء آخر.
"حتى تطور الساعة الذرية، كان تعريف الوقت يعتمد على دوران الأرض"، يوضح البروفيسور باتريك جيل، أحد كبار زملاء المختبر. "على الرغم من أن الأمر يبدو منطقيا، إلا أن حركة الأرض تظهر تباينا، والسبب في استخدام الساعة الذرية هو استخدام التردد الذي يستجيب للتغيرات في طاقة الحالة الأساسية للذرات - وهذا أكثر دقة بكثير من أي تردد آخر الترتيب الفلكي."
لا تزال الساعات الذرية أكثر ثباتًا من أي طريقة أخرى لقياس الوقت، على الرغم من أنها حساسة، ولو بشكل طفيف، للتغيرات في المجالات الكهربائية والمغناطيسية.
وقد ساعد في تطوير الساعة الذرية إلى حد ما التطورات التكنولوجية في الحرب العالمية الثانية، بما في ذلك الرادار. وفي الخمسين سنة التي مرت منذ أن بدأت الساعة الذرية تدق، زادت دقة هذه الأجهزة مائة ألف مرة.
يعد التوقيت الذري أيضًا مهمًا جدًا لازدحام تطبيقات الاتصالات والحوسبة، مثل، على سبيل المثال، تنسيق إرسال حزم البيانات عبر الشبكة والأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والهواتف المحمولة. عندما تقوم الشبكة بتقسيم تدفقات المعلومات وإعادة تجميعها، يجب أن يكون التوقيت دقيقًا عند نقطة إعادة التوحيد. إذا لم تكن دقيقة، ولا يهم ما هي البيانات التي يتم إرسالها، حزمة VoIP الخاصة بهاتف الإنترنت، على سبيل المثال - سوف تصل إلى الجانب الآخر مختلطة.
تستخدم الساعات الذرية الحديثة والدقيقة الآن ذرات السيزيوم 133، التي تم إنشاؤها في نوع خاص من الفرن، والذي يمكنه قياس الوقت إلى أقرب عُشر من المليار من الثانية يوميًا. يفعلون ذلك عن طريق قياس قاعدة زمنية بالطريقة التي ترتد بها ذرات السيزيوم المبردة ذهابًا وإيابًا بين مستويات الطاقة المختلفة.
تظهر هذه القفزات في نطاقات تردد الموجات الميكروية، مع ما يقرب من 9.2 مليار قفزة تشكل الفاصل الزمني المعروف بالثانية الواحدة. يتم تبريد الذرات لتقليل عرض "رنين التردد". وكلما كان عرض النطاق الترددي أضيق، زادت دقة قياس الوقت.
"كانت فكرة إيسن الأولية هي استخدام شعاع أفقي من ذرات السيزيوم غير المبردة، يتحرك بعرض حوالي متر. وتابع البروفيسور جيل ذلك بقياس إشارات الموجات الدقيقة عند نقطتين على طول الطريق.
ولا تزال الساعات الذرية تستخدم هذه الطريقة، ولكن بشكل مختلف قليلاً، يُعرف باسم "النافورة الذرية".
"في الجزء السفلي من النافورة توجد سحابة مكونة من مليون ذرة، يتم تبريدها بواسطة أشعة الليزر - عادة إلى درجات حرارة قريبة جدًا من الصفر المطلق. "لقد دفعناهم قليلاً من الأسفل، فيقفزون على ارتفاع حوالي متر ويسقطون مرة أخرى. لذلك نقوم بقياس الموجات الدقيقة وتعقبها في طريقها لأعلى ولأسفل. ومن القياس المزدوج يمكننا الوصول إلى تردد ضيق". قال.
هناك 5-6 مختبرات ذات معايير دولية تستخدم طريقة النافورة الذرية وتساهم جميعها في UTC. وقال البروفيسور جيل إن هناك أيضًا العديد من الساعات الذرية التجارية العاملة حول العالم، وبعضها يساهم أيضًا في التوقيت العالمي المنسق، لكنها ليست دقيقة مثل الساعات الموجودة في تلك المختبرات.
اعرف مكانك
الخطوة التالية، وفقًا للبروفيسور جيل وفريقه - والعديد من المجموعات الأخرى حول العالم - هي تطوير أجهزة ميكروويف بديلة ذات طول موجي أقل من ضوء الليزر. ولا تزال هذه الساعات الضوئية في مراحل التطوير وتعمل بترددات عالية، وبالتالي ستتيح دقة أكبر في قياس الوقت. ومن الممكن أيضًا أن تحل الساعات الضوئية محل ساعات الميكروويف باعتبارها الساعات الرئيسية المسؤولة عن قياس الوقت خلال عقد من الزمن تقريبًا.
يقول البروفيسور جيل إن الساعات الذرية الضوئية لديها القدرة على تحسين أداء أنظمة تحديد المواقع (GPS) في مساحة أقل من متر واحد. يقول البروفيسور جيل: "إن التكنولوجيا التي تستخدم الدقة الأكبر هي أنظمة تحديد المواقع".
"تحتوي الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) على ساعات راديوم وسيزيوم. وهذه الأقمار الصناعية، التي توفر الأساس لعملية التثليث المطلوبة للحصول على الموقع الدقيق على الأرض، تتم مراقبتها أيضًا بواسطة الأنظمة الأرضية. "هذه المحطات لديها ساعات أكثر دقة من تلك الموجودة في الأقمار الصناعية. وهذا يسمح بدقة النانو ثانية ويسبب انحرافًا لبضعة أمتار. ستظهر الساعة الضوئية أولا في المحطات الأرضية ثم أيضا في الأجيال القادمة من الأقمار الصناعية، وهذا يعني دقة في الموضع أقل من متر، حتى عندما يكون الجسم أو الشخص في حالة حركة.
وهذا يفتح العديد من الاحتمالات للتطبيقات العسكرية التي تعتمد بشكل كبير على نظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، بالإضافة إلى المزيد من الاستخدامات اليومية، مثل النقل المدني وأنشطة التتبع. وقال البروفيسور جيل: "هناك حديث عن إدخال أجهزة استقبال في أجهزة الهاتف المحمول وحتى ساعات ذرية صغيرة داخل الأجهزة المحمولة".
ولن تكون دقيقة مثل أنظمة نافورة السيزيوم، لكنها ستكون صغيرة وستكون قادرة على إعطاء التوقيت المحلي للفترات التي لا يرى فيها جهاز الاستقبال الأقمار الصناعية.
في سبتمبر 2004، سيستخدم المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (NIST) تقنيات تصنيع شرائح الكمبيوتر لإنتاج ساعات ذرية صغيرة.
وفي التطوير النهائي سنرى أنظمة تعتمد على البطاريات الكهربائية بحجم مصباح ليلي صغير.
