ساعت هایی که می سازیم آنقدر دقیق شده اند که حتی ماهیت فریب دهنده زمان را افشا می کنند
براي آن دسته از فيزيكدانان و فيلسوفان كه بعد چهارم طبيعت آنها را گيج و مبهوت كرده است، پاتريك گيل Patrick Gill يك پاسخ كنايه آميز دارد. او ميگويد: "زمان، همان چيزي است كه با ثانيه اندازه مي‌گيريد."
براي گيل، اين اظهاري برخاسته از غرور ناشي از حرفه اوست. شما مي‌توانيد او را بالاترين كارمند ثبت اوقات بريتانيا بدانيد. پشت ديوارهاي آجري كرم رنگ بدون پنجره –و تا حد زيادي بدون ساعت- آزمايشگاه ملي فيزيك (NPL)National Physical Laboratory انگلستان، در نزديكي لندن، گيل و همكارانش مشغول توسعه نسل بعدي ساعتهاي اتمي فوق‌العاده دقيقي هستند. اين ساعتهاي كوچك، دستگاه‌هايي هستند كه هم زمان ماندن مخابرات راديويي، تلويزيوني و تلفن‌هاي همراه را تضمين مي‌كنند، از اينكه اينترنت به يك آشفته بازار از بسته داده هاي گم شده تبديل شود جلوگيري مي‌كنند، GPS را آنقدر دقيق مي‌كنند كه بتوان با آن مسيريابي كرد، و از اينكه شبكه‌هاي برق از كار بيفتند محافظت مي‌كنند. خلاصه، آنها نبض زندگي مدرن هستند.
اين لحظات براي گيل و افراد ديگري كه مانند او در آزمايشگاه‌هاي ثبت زمان در سرتاسر دنيا هستند بسيار مهم است. اخيراً نسل جديدي از ساعتهاي اتمي، با عنون ساعتهاي نوري optical clock، ركورد دقت را از دسته اتم‌هاي سزيم Caesium مرتعش كه آن را براي نيم قرن در اختيار داشتند ربوده‌اند. به زودي اين فناوري جديد آنقدر اصلاح خواهد شد كه اگر چنين ساعت‌هايي از زمان مهبانگ Big Bang، يعني 7/13 ميليارد سال پيش، تا كنون تيك تيك كرده باشند، هنوز يك تپش را هم از دست نداده‌اند.
اين دستاوردي شايسته تقدير است- ولي همچنين مشكل ساز هم مي‌باشد. با چنين دقت حيرت انگيزي، ما نه تنها در چگونگي اندازه‌گيري زمان بلكه در تصورمان از زمان نيز بايد تجديد نظر كنيم.
براي اغلب ما، عميق ترين انديشه‌اي كه در مورد زمان مي‌كنيم اين است كه ثانيه‌هاي بي‌وقفه در حال گذر آن را روي ساعت ديواري يا مچي بنگريم. اگر كمي عميق‌تر فكر كنيم، ممكن است به اين نتيجه برسيم كه آن ثانيه‌هايي كه اندازه مي‌گيريم تنها يك واحد طبيعي زمان را به اجزاء كوچكتر تقسيم مي‌كنند: زماني كه طول مي‌كشد تا سياره ما يك دور حول محورش بچرخد، يك روز. اين درواقع منطق تاريخي ثبت زمان مي‌باشد (نمودار را در انتهاي مقاله ببينيد). اما چرخش زمين يك زمان سنج ناقص است. بدليل اينكه زمان، بيش از پيش تبديل به يك عامل بسيار مهم در زندگي ما شده است، و ما بدنبال تپش‌هايي سريعتر و پايدارتر بوده‌ايم تا گذر آن را اندازه بگيريم.
يك جهش بزرگ در سال 1955 رخ داد، وقتي كه بر اساس كار ايزيدور رابي Isidor Rabi در دانشگاه كلمبيا در نيويورك، و نيز نمونه ساعتهاي آزمايشي در جايي كه امروز انستيتو ملي استانداردها و فناوري (NIST) National Institute of Standards Technology در بولدر Boulder كلرادو Colorado است، فيزيكدان NPL، لوويس اِسن Louis Essen، اولين ساعت اتمي قابل اطمينان را ساخت. نبض اين ساعت، فركانس‌هاي دقيق تابش ميكروموجي بود كه وقتي الكترون‌هاي اتم سزيم بين دو تراز انرژي نزديك به هم نوسان مي كردند منتشر يا جذب مي‌شدند. نتيجه، ساعتي به دقت 1 قسمت در 10[SUP]10[/SUP] بود،يا يك ثانيه در 300 سال (هر 300 سال يك ثانيه عقب يا جلو مي‌افتاد). از آن زمان به بعد، به سر رسيدن عمر ثانيه نجومي سنّتي لحظه شماري مي‌شد. در سال 1967، يكاي بنيادين زمان به طور رسمي اينگونه باز تعريف شد "مدت زمان ۹.۱۹۲.۶۳۱.۷۷۰ دوره از تابش مربوط به گذار بين دو تراز فوق‌العاده نزديك hyperfine level حالت پايه اتم سزيم-133".
در طي دهه‌هاي بعدي، دقت ساعتهاي اتمي باز هم بيشتر شد. پيشرفت بزرگ بعدي در سال 1989 حاصل شد، وقتي كه فيزيكدان دانشگاه استنفورد، استيون چو Steven Chu، هم اكنون وزير انرژي آمريكا، و همكاران او فواره اتمي atomic fountain را ساختند. در اين روش توپي از يك ميليون يا بيشتر از اتم سزيم، كه در پرتوهاي ليزر متقاطع به دام افتاده و تا چند ميليونم درجه بالاي صفر مطلق سرد شده است، به طرف بالا در يك خلأ پرتاب مي شود كه در آن، تابش ميكروموج، اتم‌ها را براي ارتعاش برانگيخته مي‌كند. پالس (تپ) اتم‌ها در بالاترين نقطه مسير دريافت ميشود، جايي كه تأثيرات دما و حركت كه سطح انرژي آنها را بر هم مي‌زند حداقل است.
با پرتاب كردن ابرهاي سزيمي به طرف بالا در طول يك روز و ميانگين گرفتن از فركانس اندازه‌گيري شده، دقيق‌ترين ساعتهاي سزيم-فواره، از جمله ساعت NIST- F1 در بولدر و دستگاه‌هاي مشابه در آزمايشگاه سيستم‌هاي مرجع براي زمان و فضا Reference Systems for Time and Space(SYRTE) متعلق به رصدخانه پاريس Paris observatory در فرانسه، هم اكنون مي توانند زمان را با دقت يك ثانيه در تقريباً 80 ميليون سال ثبت كنند- تنها چند قسمت در 10[SUP]16[/SUP].
با سزيم، اين تقريباً بهترين چيزي است كه به دست مي‌آيد. اما سزيم به هيچ وجه سريعترين نوسانگر اتمي نيست. تنها به خاطر راحتي انتخاب شد: برانگيخته كردن آن با استفاده از ميكرو موج آسان بود، و نوسانات آن سيگنالي با فركانس مناسب توليد مي‌كرد كه به شمارشگرهاي counter مورد استفاده در مدارهاي ميكروالكترونيكي موجود داده مي‌شد. ديگر اتم ها داراي گذارهايي ۱۰۰.۰۰۰ بار سريعتر هستند، و از اينرو امكان دارد ساعتهاي اتمي دقيقتري بسازند. مشكل اينجاست كه آنها را نمي‌توان بوسيله ميكروموج‌ها مورد استفاده قرار دارد، فقط ليزرهايي با فركانس‌هاي نوري بالاتر، نزديك به نور مرئي.
هنگامي كه اولين استانداردهاي زمان اتمي بنيان نهاده مي‌شد، فناوري ليزر در دوران طفوليت خود بود، بنابراين كسي به امكان‌پذيري ساعتهاي نوري حتي فكر هم نمي‌كرد. سپس اين مشكل پديدار شد كه شمارش دقيق آهنگ سريع نوسان- نزديك به يك ميليون ميليارد بار در ثانيه- بسيار دشوار است. اين مانع سر راه تنها در سال 1999 با اختراع يك دستگاه بسيار عالي به نام شانه فركانس frequency comb، كه فركانس‌هاي نوري را كاهش مي‌دهد و منبسط مي كند تا باز فركانس‌هايي در محدوده ميكروموج توليد شوند، توسط تئودور هانش Theodor Hänsch در انستيتو نورشناسي كوانتومي ماكس پلانك Max Planck Institute for Quantum Optics در گارشينگ Garching، آلمان، و جان هال John Hall در NIST كنار زده شد. اين اجازه داد تا سرعت تپش ساعتهاي نوري بر اساس يكديگر يا براساس يك استاندارد شناخته شده، مانند سزيم، سنجيده شوند.
جانشين سزيم
در سال 2001، اين روش براي اسكات ديدامز Scott Diddams و همكارانش در NIST پيشرفت مطلوب را به ارمغان آورد. آنها يك يون منفرد جيوه را در يك ميدان الكترومغناطيسي به دام انداختند، محيطي كه در آن در معرض حداقل تداخل موجود در اطراف قرار دارد. با استفاده از يك شانه فركانس براي مقايسه فركانس نوسانات نوري تك يون با بسامد مجموعه‌اي از اتم‌هاي كلسيم، اين تيم ساعتي دقيقتر از يك قسمت در 10[SUP]14[/SUP]، تقريباً يك ثانيه در 5/4 ميليون سال، توليد كردند. در سال 2004، گيل و تيم او در NPL با يك ساعت استرانسيومي strontium به دقتي تا يك ثانيه در 9 ميليون سال- تنها يك سوم دقت بهترين ساعتهاي سزيم آن زمان- بر موفقيت هاي قبلي افزودند. آزمايشگاه استانداردهاي آلمان، انيستيتو فيزيكي- تكنيكي فدرال Federal Physical-Technical Institute (PTB) در برانشويگ Braunschweig نيز وارد عمل شد و با استفاده از يون ايتربيم ytterbium به دقت قابل مقايسه‌اي دست يافت. با دستيابي تيم NIST به دقتي قابل قياس با ساعت سزيمي NIST-F1 خودش در سال 2006، دور دوباره به آنسوي اقيانوس اطلس Atlantic رسيد. سرانجام در ماه مارس سال 2008، NIST با مقايسه يك گذار تك يون جيوه با يك گزار در اتم‌هاي آلومينيوم aluminium به دام انداخته شده، دقت‌هايي را به اندازه تنها پنج قسمت در 10[SUP]17[/SUP]- تقريباً يك ثانيه در 650 ميليون سال- به دست آوردند. سلطه 53 ساله سزيم به عنوان شاه ساعت‌ها به پايان رسيد.
در اين اثنا، ديگر پيشرفت‌هاي موازي نيز به سزيم حمله كرده‌اند. تيم‌هايي از چند موسسه، در حال كاوش ويژگي‌هاي ثبت زماني ابرهايي از اتم‌هاي مشابه بوده‌اند كه در يك الگوي يكنواخت فاصله‌اي بوسيله شبكه پرتوهاي ليزر تداخل كننده نگاه داشته شده‌اند. سيگنال‌هاي قوي‌تري كه اتم‌هاي زياد اين "ساعتهاي شبكه نوري optical lattice clock" توليد مي‌كنند نهايتاً مي‌توانند در برابر ساعتهاي تك يون در دستيابي به استانداردهاي پايدار و فوق دقيق بسامدي، موضوع بهتري براي شرط بندي باشند. جان برنارد John Bernard از مؤسسه ملي استانداردهاي اندازه‌گيري Institute for National Measurement Standards در مونترئال Montreal، كانادا، ميگويد: "هم‌اكنون اينها بحث بسيار داغي هستند،" در حال حاضر استرانسيوم ركورد دار است، اتمي كه بوسيله محققان در دانشگاه توكيو Tokyo، ژاپن، در سال 2005 پيشگام در عرصه ساعتهاي شبكه‌اي شد. در ماه مارس سال 2008، محققان NIST يك ساعت شبكه‌اي استرانيوم را با دقت يك قسمت در 10[SUP]16 [/SUP]گزارش دادند- جلوتر از سزيم و در تعقيب ساعتهاي تك‌يون. اما چرا اينقدر خود را براي ساختن ساعتهاي هر چه دقيقتر به دردسر بيندازيم؟ آيا اينكه ساعتي در يك ميليارد سال، يك ثانيه خطا كند يا در ده ميليارد سال، تفاوتي مي‌كند؟ پاسخ گيل، آري است. به عنوان يك كاربرد، ساعتي با دقت يك ثانيه در طول تمام عمر جهان به ما اجازه خواهد داد كه ببينيم آيا قوانين و ثابت‌هاي فيزيكي در طول تاريخ كيهان تغيير كرده‌اند يا نه ("ثابت متغيّر" را در انتهاي مقاله ببينيد). گيل ميگويد: "واقعيت داشتن اين موضوع، براي جهانيان بسيار شوك‌آور و تكاندهنده خواهد بود،"
و اين فقط فيزيك بنيادي نيست كه از اين ساعت‌ها بهره مي‌برد. ارتقاء GPS به دقت ساعتهاي نوري مي‌تواند تعقيب زنده اشياء متحرك را با دقتي اساساً بهتر از يك متر، به جاي دهها متري كه هم‌اكنون ممكن است، فراهم كند. اين كافي است تا فناوري‌هايي مانند رانندگي خودكار، يا فرود هواپيما بدون دخالت انسان مطرح شوند.
گيل متذكر ميشود كه ممكن است اكنون رسيدن به چنين ابداعاتي زود باشد. ابتدا، براي دستيابي به دقت لازم، ساعتهاي نوري نه تنها در ساعتهاي زميني اصلي GPS، بلكه در ساعتهاي مورد استفاده در هر كدام از 32 ماهواره اين سيستم نيز بايد تعبيه شوند- مأموريتي بس دشوار. هم چنين، هر سيستمي كه زندگي انسان‌ها را به راه مي‌اندازد بايد ثابت شود كه از كار نمي‌افتد. اين نيازمند درك بهتري از چگونگي تأثير شرايط جوي و بازتاب‌هاي متعدد از سطح زمين- از ساختمان‌ها در محيط‌هاي شهرنشين و سنگ‌ها در زمينهاي كوهستاني- بر دقت GPS در دريافت داده‌ها است. اينكه به چه زودي ساعتهاي نوري در جا‌هاي ديگر نيز گسترش پيدا مي‌كنند- براي مثال در پشتيباني از شبكه‌هاي داده داراي پهناي باند زياد- به اين بستگي دارد كه با چه سرعتي مي‌توانيم يك استاندارد زمان جديد براي جايگزيني سزيم وضع كنيم. هم‌اكنون، هيچ توافقي بر اينكه اين جايگزين چه بايد باشد وجود ندارد؛ هر آزمايشگاه ملي، متخصصان و انتخاب ارجح خود را ميان اتم يا يون دارد. در سال 2006، كميته بين‌المللي وزن‌ها و يكاها International Committee of Weights and Measures، كه مسئوليت برقراري توافق جهاني در واحد‌هاي اندازه‌گيري را بر عهده دارد، گذارهاي نوري در جيوه، استرانيوم و ايتربيم را به عنوان نمايش‌هاي فرعي ثانيه پذيرفت، تا زماني كه استاندارد اصلي سزيمي جايگزين شود. آواستر Uwe Sterr ازPTB آلمان فكر مي كند كه بالاخره يك تعويض حتمي اجتناب ناپذير خواهد بود. او ميگويد: "هنوز ممكناست چند سال طول بكشد، شايده ده سال،" ديويد وينلند David Wineland از NIST نيز موافق است. "اگر مي توانستيم با اطمينان بگوييم كه يك ساعت جيوه‌اي 100 بار از يك ساعت سزيمي دقيقتر است، چندين آزمايشگاه ديگر نيز مي‌بايست آن را تأييد مي‌كردند، و ساعتهاي زيادي ساخته مي‌شد تا نيازهاي مصرف كنندگان محلي را برآورده كنند."
پيچيدگي‌ها به همين جا ختم نمي‌شود. اگر قرار است كه اين ساعتهاي محلي براي رسيدن به يك استاندارد زمان بين‌المللي جديد استفاده شوند، بايد به نحوي هم زمان نگاه داشته شوند. با دقت‌هايي كه هم‌اكنون بدست مي‌آيد، اين هم تبديل به يك مشكل ميشود. فيبرهاي نوري موجود آنقدر نوفه noise دارند كه نمي‌توانند سيگنال را به طور قابل اعتمادي انتقال دهند، بنابراين تنها، گزينه ارتباطات ماهواره‌اي را باقي مي‌گذارند. حتي باز هم، هم زمان كردن ساعت‌ها بين مثلاً NIST و يك آزمايشگاه در اروپا تا دقتي معادل 1 ثانيه در چندين هزار ميليارد كار آساني نخواهد بود.
اين نيازمند ميانگين گرفتن از پالس سيگنال در مدت زمان طولاني ناميسري خواهد بود. ديدامز ميگويد: "با توجه به شواهد و قرائن و به طور خوش بينانه، به اندازه تمام دوران علمي زنگي مخترع ساعت طول خواهد كشيد،"
حتي مشكلي بنيادي‌تر پيش روي زمان نگه‌داران جهان وجود دارد. اين مربوط به ماهيت خود زمان است- بويژه آن طور كه نسبيت عام آلبرت اينشتين آن را شرح مي‌دهد. اين نظريه پايه و اساس ماده، فضا و زمان را مي‌لرزاند تا بهترين تصور ما را در مورد چگونگي رفتار گرانش بدست دهد. يكي از پيش‌بيني‌هايش اين است كه يك ساعت به ازاي هر يك سانتيمتر كه در ميدان گرانشي بالابرده ميشود به اندازه يك ثانيه در 10[SUP]18[/SUP] سريعتر تيك‌تيك مي‌كند. هم‌اكنون GPS چنين تأثيراتي را كه (با اين فرض كه بيشتر عمرتان را ايستاده بگذرانيد) باعث مي‌شوند پوست سرتان هر سال چند نانو ثانيه بيشتر از كف پايتان عمر كند به حساب مي‌آورد.
با اينكه چنين پديده‌هايي تأمل برانگيز هستند، اما آنها ظاهراً در سلامتي ما تعيين كننده نيستند. اما براي ساعتهاي نوري، ممكن است باشند. براي بيان يكسان زمان، تمام ساعت‌ها بايد در ارتفاع معيني نسبت به زمين‌وار geoid زمين باشند، يك سطح خيالي كه نقاطي را كه در آنها ميدان گرانشي قدرت يكساني دارد به يكديگر وصل مي‌كند. اما ارتفاع اين زمين وار در طول زمان در يك مكان مشخص تا 20 سانتيمتر تغيير مي‌كند، بدليل پديده‌هايي مثل حركت صفحات پوسته زمين tectonic movements، ذوب شدن يخ‌ها و يخچال‌ها و تغيير در سطح اقيانوس‌ها، و فشار جوي متغير. تغييراتي به آن اندازه مي‌تواند هر تلاشي را براي بنيان نهادن يك استاندارد زمان جهاني به دقت يك قسمت در 10[SUP]18[/SUP] يا بهتر از آن، منجر به شكست كند.
دن كلپنر Dan Kleppner از مؤسسه فناوري ماساچوست Massachusetts Institute of Technology دوره‌اي را به عنوان پيشگام در روش‌هاي دست كاري اتم‌هاي فوق سرد كه قلب ساعتهاي نوري هستند گذرانده است. او فكر مي‌كند اين حقيقت كه ديگر نمي‌توانيم از تأثيرات گرانش بر آنها چشم پوشي كنيم نتايج عميقي به دنبال خواهد داشت. او مي گويد: "اين ما را مجبور مي‌كند كه كمي بيشتر درباره اينكه واقعاً منظورمان از زمان چيست فكر كنيم،" ديگر نمي‌توانيم زمان را به طور راحت طلبانه‌اي يك جريان دائم، يك جوهر زمينهاي يكنواخت بدانيم. ساعتهاي نوري ما را با واقعيت‌هاي دشوار نسبيت عام روبرو مي‌كنند. در خانه، زمان در طبقه بالا و پايين يكسان نيست. به زودي، اگر قرار باشد يكي از آن ساعتهاي فوق دقيق اتمي تنظيم شده را در خانه‌تان داشته باشيد، زماني كه به شما ميگويد بسته به اينكه در چه ارتفاعي روي ديوار نصب شده متفاوت خواهد بود.
آن، جهاني بسيار دورتر از شيوه‌اي است كه اغلب ما- حتي خود استادان زمان- با زمان برخورد مي‌كنيم. ناراحت از اينكه نكند قطارم را بعد از ملاقات با او در NPL، از دست بدهم، گيل تعارف مي‌كند مرا به ايستگاه برگرداند. همان طور كه سوار ماشين او مي‌شوم، چشمم به ساعت روي داشبورد مي‌افتد. 15 دقيقه جلو است.
ثابت متغيير
اگر ثابت ساختار ريز fine-structure constant متفاوت بود، جهان متلاشي مي‌شد: مقدار آن، قدرت واكنش الكترومغناطيس را كه چسب اتم‌هاست تعيين مي‌كند. منشأ فيزيكي آن روشن نيست،اما مقدار عددي آن- تقريباً 137/1- همه فراگير است. واقعاً؟
يك ثابت ساختار ريز متغير ممكن است به تأثيري از گرانش بر قدرت نيروي الكترومغناطيس اشاره كند. تغييري كه بسياري از تلاشها براي يگانه كردن نيروهاي طبيعت در"يك نظريه همه چيز theory of everything"، آن را پيش بيني كرده‌اند، اما هنوز آشكار نشده است.
اگر مقدار ثابت ساختار ريز واقعاً از زماني كه جهان آغاز شده است در حال تغيير بوده باشد، يك ساعت نوري كه حتي يك تپش را در طول اين مدت از دست نداده است بايد قادر باشد كه اين تفاوت را نشان دهد. نوسانات اتم‌هاي مختلف- حتي نوسانات مختلف يك اتم- به شيوه‌هاي مختلفي به ثابت ساختار ريز بستگي دارد. اگر اين ثابت جابجا شود، فركانس‌هاي نوسانات اتم‌ها نيز جابجا مي‌شوند. مقايسه نوسانگرها در فركانس‌هاي معين به مدت يك سال، و ديدن اينكه آيا آنها از هم‌زماني خارج مي‌شوند يا نه، يك آزمايش قطعي خواهد بود.
اختر فيزيكدان جان‌وب John Webb از دانشگاه نيوسوذ ويلز New South Wales در سيدني Sydney، استراليا، ميگويد: "ساعتي با دقت يك قسمت در 10[SUP]18 [/SUP]چيزي براي طراحي آزمايش در اختيار نظريه‌پردازان قرار خواهد داد،" او در حال حستجوي شواهد تغيير ثابت ساختار ريز در طول زمان در نوري بوده است كه از اختروش quasarهاي دوردست ميلياردها سال طول كشيده است تا به ما برسد. ساعتهاي نوري فرصتي را فراهم مي‌كنند كه همين نوع آزمايشها را به شكل آسانتر در آزمايشگاه انجام دهيم.
آخرین ویرایش:
