Optical Signals Synthesized from an Optical Lattice Clock with Uncertainty of 1.3E-17

الوقت هو العملة الأكثر جوهرية التي نمتلكها، ومع ذلك، فإن أفضل وسيلة لدينا لقياسه ظلت لفترة طويلة محدودة بالنبض البطيء والثقيل لبندول مصنوع من ذرات مهتزة. لعقود من الزمن، اعتمد المعيار الدولي للثانية على إشارات الميكروويف من ذرات السيزيوم، وهي طريقة، رغم موثوقيتها، تترك هامش خطأ ضئيلاً يتراكم بمرور الوقت. لطالًا ما حلم العلماء بساعة أفضل، ساعة تستخدم الاهتزازات الأسرع للضوء نفسه. هذه "الساعات الضوئية" دقيقة للغاية لدرجة أنه لو كانت تعمل منذ بداية الكون، لكان الفارق فيها اليوم أقل من ثانية واحدة. ومع ذلك، فإن الساعة السريعة جدًا تصبح عديمة الفائدة إذا لم نتمكن من ترجمة دقاتها السريعة إلى إشارة يمكننا استخدامها لأغراض أخرى. ولجسر هذه الفجوة، يحتاج الباحثون إلى جهاز يمكنه أخذ النبض فائق الدقة لساعة ضوئية وإبطائه، أو تسريعه، لإنشاء ضوء ليزر جديد ومستقر بأي لون يرغب به المستخدم، دون فقدان تلك الدقة المذهلة في العملية. يُسمى هذا الجهاز "مُخلق التردد الضوئي" (optical frequency synthesizer)، وهو المفتاح لتحويل أدق الساعات في العالم إلى أدوات عملية للعلم.

قام فريق من الباحثين في جامعة شرق الصين العادية في شنغهاي ببناء مثل هذا الجهاز وأثبتوا أنه يعمل بدقة استثنائية. لقد أنشأوا نظامًا يأخذ الإشارة من ساعة الشبكة الضوئية لليتربيوم المتطورة الخاصة بهم ويستخدمها لتوليد شعاع ليزر جديد أحادي التردد. وتكمن روعة عملهم في أن الليزر الجديد يرث كمال الساعة الأصلية. وجد الباحثون أن عدم اليقين في إشارتهم النهائية صغير للغاية، حيث يبلغ 1.3 مضروبًا في 10 أس سالب 17. ولوضع ذلك في منظور، إذا كانت هذه الساعة تعمل طوال عمر الكون، لفقدت أقل من ثانية واحدة. هذا المستوى من الدقة يعني أن الجهاز يمكنه الآن أن يعمل كمرجع رئيسي، قادر على إنتاج ضوء مستقر عند أي طول موجي قد يحتاجه العلماء، من الطيف المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء، مع الحفاظ على نفس الدقة الصارمة للساعة نفسها.

إن قلب هذا الإنجاز هو طريقة ذكية لتقسيم تردد الساعة. تخيل ضوء الساعة كقطار عالي السرعة يتحرك على طول مسار. احتاج الباحثون إلى إنشاء قطار جديد يتحرك بسرعة أبطأ محددة، لكنهم أرادوا التأكد من أن القطار الجديد لن ينحرف عن مساره أبدًا. لقد استخدموا أداة تسمى "مشط التردد الضوئي" (optical frequency comb)، والتي تعمل كمسطرة دقيقة مصنوعة من الضوء، لقياس وتقسيم تردد الساعة. ومن خلال ربط ليزر المخرجات الخاص بهم بهذه المسطرة، ضمنوا أن أي تذبذب طفيف في الساعة سينتقل بدقة إلى الليزر الجديد. النظام مستقر للغاية لدرجة أن الأخطاء الناتجة عن عملية التقسيم نفسها ضئيلة، وهي أصغر بكثير من الحدود الطبيعية للساعة. وهذا يعني أن جودة المخرجات تتحدد بالكامل تقريبًا بجودة الساعة، والتي تعد في هذه الحالة واحدة من أفضل الساعات في العالم.

لفهم سبب أهمية هذه النتيجة، يجب على المرء النظر في الساعة نفسها. استخدم الباحثون شبكة من الضوء لحجز آلاف ذرات اليتربيوم، وإبقائها ثابتة حتى يمكن قياسها دون تداخل من الحرارة أو الحركة. قاموا بتبريد هذه الذرات إلى درجات حرارة تزيد بجزء بسيط من الدرجة فوق الصفر المطلق، باستخدام تقنية تسمى "تبريد الحزمة الجانبية" (sideband cooling) لإدخالها في أدنى حالة طاقة ممكنة لها. وحتى عند درجات الحرارة القصوى هذه، تظل الذرات متأثرة ببيئتها. كان على الباحثين مراعاة الحرارة المنبعثة من جدران غرفة الفراغ الخاصة بهم، والمعروفة بإشعاع الجسم الأسود، والتي يمكن أن تدفع الذرات قليلاً وتغير "دقة" الساعة. كما توجب عليهم تصحيح انزياح الضوء الناتج عن الليزرات التي تثبت الذرات في مكانها. ومن خلال قياس وتصحيح هذه التأثيرات بعناية، حددوا أن ساعتهم محدودة أساسًا بهذين العاملين: حرارة الغرفة والضوء الذي يمسك بالذرات.

لم يكتف الفريق ببناء الآلة فحسب؛ بل اختبروا بصرامة كل مصدر محتمل للخطأ لمعرفة مدى جودتها بدقة. قاموا بقياس درجة حرارة غرفة الفراغ باستخدام مستشعرات عالية الدقة وحسبوا تأثير الإشعاع الحراري، ووجدوا أنه أكبر مصدر لعدم اليقين. كما حللوا انزياحات الضوء من الشبكة وليزرات الاستقصاء، لضمان عدم دفع أو سحب الذرات بطريقة قد تشوه قياس الوقت. حتى أنهم تحققوا من تأثير المجالات المغناطيسية الشاردة والاصطدامات مع الغازات الخلفية. وبعد حساب كل عامل معروف، ظل إجمالي عدم اليقين عند تلك القيمة المذهلة: 1.3 مضروبًا في 10 أس سالب 17. هذا المستوى من اليقين يثبت أن مُخلق التردد الضوئي ليس مجرد مفهوم نظري بل هو واقع عامل يمكن استخدامه الآن لاستكشاف الكون بحساسية غير مسبوقة.

إن تداعيات هذا العمل تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد ضبط الوقت بشكل أفضل. فمع امتلاك أداة يمكنها توليد ضوء مستقر عند أي تردد بهذه الدقة، يمكن للعلماء الآن البحث عن التغيرات في الثوابت الأساسية للطبيعة، والبحث عن علامات تشير إلى أن قوانين الفيزياء قد تتغير بمرور الوقت. إن هذا يفتح الباب لاكتشاف المادة المظلمة واختبار نظريات الجاذبية بدقة كانت مستحيلة في السابق. ويتطلع الباحثون بالفعل إلى المستقبل، حيث يخططون لتحسين ساعتهم بشكل أكبر عبر حماية الذرات من الحرارة والمجالات الكهربائية بشكل أكثر فعالية، بهدف دفع عدم اليقين إلى مستوى 10 أس سالب 18. وفي الوقت الحالي، نجحوا في إثبات أن الجسر بين عالم الساعات الضوئية فائق السرعة والعالم العملي لليزر القابل للاستخدام هو جسر صلب، ومستقر، وجاهز للاكتشافات العظيمة التالية في الفيزياء.