دانشمندان موفق شده‌اند یکی از دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی جهان را بسازند و قصد دارند از آن به‌عنوان مرجع جهانی برای تعریف زمان استفاده کنند. این ساعت، که بر اساس حرکت رفت‌وبرگشتی اتم‌های سزیم در میدان مایکروویو عمل می‌کند، چنان دقیق است که اگر از زمان دایناسورها (یعنی ۱۰۰ میلیون سال پیش) تاکنون کار می‌کرد، اکنون تنها کمتر از یک ثانیه خطا داشت.
دانشمندان سازنده‌ی این ساعت، از آزمایشگاه NIST در بولدر ایالت کلرادو، جزئیات عملکرد ساعت جدید به نام NIST-F4 را در تاریخ ۲۶ فروردین در نشریه‌ی Metrologia منتشر کرده‌اند. این ساعت که از فروردین ۱۴۰۴ وارد فاز عملیاتی شده، در انتظار تأیید رسمی است تا به جمع حدود ۴۵۰ ساعت دقیق دیگر در جهان بپیوندد و در تعریف زمان جهانی هماهنگ (UTC) مشارکت کند؛ یعنی همان سیستم دقیقی که ثانیه را برای جهان تعریف می‌کند.
به گفته‌ی لیز دانلی، رئیس بخش زمان و فرکانس در NIST:
«سیگنال‌های زمانی هر روز میلیاردها بار مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ از تنظیم ساعت‌های شخصی گرفته تا زمان‌گذاری دقیق بر تراکنش‌های مالی الکترونیکی که صدها میلیارد دلار را جابه‌جا می‌کنند.»
(دانلی نویسنده این مقاله نیست.)
با افزایش نیاز به زمان‌سنجی دقیق‌تر، دانشمندان همواره در تلاشند تا ساعت‌های مرجع بهتری بسازند؛ ساعت‌هایی که دیگر ابزارهای زمانی بر پایه‌ی آن‌ها تنظیم می‌شوند. برخلاف ساعت‌های معمولی، این ساعت‌های مرجع از لرزش اتم‌ها برای شمارش زمان استفاده می‌کنند.
ساعت NIST-F4 نوعی «ساعت چشمه‌ای» است که شامل ابری از هزاران اتم سزیم است که با لیزر تا نزدیکی صفر مطلق سرد شده‌اند. این اتم‌ها سپس با کمک پالس‌های لیزری به سمت بالا پرتاب می‌شوند و هنگام سقوط، از میان پرتوی مایکروویو عبور می‌کنند که باعث نوسان آن‌ها می‌شود.
شمارش این نوسان‌ها — که ۹٬۱۹۲٬۶۳۱٬۷۷۰ بار در هر ثانیه اتفاق می‌افتد — به دانشمندان این امکان را می‌دهد که ثانیه‌ی بین‌المللی را به‌دقت تعریف کنند.
(اعتبار تصویر: R. Eskalis / NIST)
اما این تازه بخش ساده‌ی ماجراست. برای اطمینان از دقت ساعت NIST-F4، دانشمندان باید تمام منابع کوچک نویز را که می‌توانند بر نوسان‌های اتم سزیم اثر بگذارند، در نظر بگیرند. این منابع شامل:
- تداخلات کوانتومی با سایر اتم‌ها،
- نشت امواج مایکروویو،
- انحرافات نوری ناشی از عدسی‌ها،
- و اعوجاج‌های بسیار ظریف در میدان‌های الکترومغناطیسی ناشی از لیزرها هستند.
این تیم از سال ۱۳۹۹ کار روی این ساعت را آغاز کرد، یعنی چهار سال پس از آنکه ساعت چشمه‌ای قبلی یعنی NIST-F1 برای بازسازی از رده خارج شد. بخشی از این بازطراحی شامل ساخت مجدد محفظه‌ی مایکروویو اصلی از ابتدا بود.
به گفته ولادیسلاو گرگینوف، نویسنده اصلی مقاله و فیزیکدان NIST:
«ارزیابی یک ساعت چشمه‌ای مانند NIST-F4 فرایندی بسیار آهسته است. ما باید خیلی محافظه‌کارانه عمل کنیم. باید همه‌چیز درباره‌ی آن را بدانیم.»
نتیجه این تلاش‌ها، ساخت ساعتی با عدم قطعیت سیستماتیک کل برابر با ۲.۲ × ۱۰⁻¹⁶ بوده که به معنای کمتر از یک ثانیه خطا در هر ۱۴۰ میلیون سال است. این میزان خطای ناچیز، ناشی از نویزهای بسیار ظریف در اندازه‌گیری‌های کوانتومی است که دانشمندان امیدوارند با استفاده از نوسان‌سازهای بهتر و روش‌های دقیق‌تر سردسازی با لیزر، حتی آن را نیز کاهش دهند.
ساعت NIST-F4 در کنار ساعت قبلی یعنی NIST-F3 کار خواهد کرد. ساعت جدید حدود ۹۰٪ مواقع فعال خواهد بود و حداقل یکی از این دو ساعت همیشه در حال کار خواهد بود. داده‌های حاصل از هر دو ساعت به طور دوره‌ای به اداره بین‌المللی اوزان و مقیاس‌ها (BIPM) ارسال می‌شود تا در کالیبره کردن زمان جهانی هماهنگ (UTC) نقش ایفا کنند و به جهان کمک کنند تا دقیق‌تر از همیشه، بر مدار زمان بماند.
