يمكن أن يساعد التصميم ، الذي يستخدم الذرات المتشابكة ، العلماء على اكتشاف المادة المظلمة ودراسة تأثير الجاذبية على الوقت.
الساعات الذرية هي أكثر أجهزة ضبط الوقت دقة في العالم. تستخدم هذه الأدوات الرائعة أشعة الليزر لقياس اهتزازات الذرات ، التي تتأرجح بتردد ثابت ، مثل العديد من البندولات المجهرية التي تتأرجح بشكل متزامن. أفضل الساعات الذرية في العالم تحافظ على الوقت بمثل هذه الدقة ، إذا كانت تعمل منذ بداية الكون ، فإنها لن تتأخر إلا بحوالي نصف ثانية اليوم.
ومع ذلك ، يمكن أن تكون أكثر دقة. إذا تمكنت الساعات الذرية من قياس الاهتزازات الذرية بدقة أكبر ، فستكون حساسة بدرجة كافية لاكتشاف ظواهر مثل المادة المظلمة وموجات الجاذبية. باستخدام ساعات ذرية أفضل ، يمكن للعلماء أيضًا البدء في الإجابة على بعض الأسئلة المحيرة للعقل ، مثل تأثير الجاذبية على مرور الوقت وما إذا كان الوقت نفسه يتغير مع تقدم الكون.
الآن قد يمكّن نوع جديد من الساعات الذرية التي صممها علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا العلماء من استكشاف مثل هذه الأسئلة وربما الكشف عن فيزياء جديدة.
أفاد الباحثون اليوم في دورية Nature أنهم قاموا ببناء ساعة ذرية لا تقيس سحابة من الذرات المتذبذبة عشوائيًا ، كما تقيس أحدث التصاميم الآن ، ولكن بدلاً من ذلك الذرات التي كانت متشابكة كميًا ترتبط الذرات بطريقة مستحيلة وفقًا لقوانين الفيزياء الكلاسيكية ، وهذا يسمح للعلماء بقياس اهتزازات الذرات بدقة أكبر.
يمكن للإعداد الجديد تحقيق نفس الدقة أربع مرات أسرع من الساعات بدون تشابك.
يقول المؤلف الرئيسي إدوين بيدروزو بينافيل Edwin Pedrozo-Peñafiel ، وهو باحث ما بعد الدكتوراة في مختبر أبحاث الإلكترونيات بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "سيكون للساعات الذرية الضوئية المحسنة التشابك القدرة على الوصول إلى دقة أفضل في ثانية واحدة من الساعات الضوئية الحديثة".
إذا تم تكييف أحدث الساعات الذرية لقياس الذرات المتشابكة بالطريقة التي يعمل بها فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، فإن توقيتها من شأنه أن يتحسن بحيث ، على مدار عمر الكون بأكمله ، ستكون الساعات أقل من 100 مللي ثانية.
المهلة الزمنية
منذ أن بدأ البشر في تتبع مرور الوقت ، فعلوا ذلك باستخدام ظواهر دورية ، مثل حركة الشمس عبر السماء. اليوم ، تعد الاهتزازات في الذرات أكثر الأحداث الدورية استقرارًا التي يمكن للعلماء ملاحظتها. علاوة على ذلك ، سوف تتأرجح ذرة سيزيوم بنفس التردد تمامًا مثل ذرة سيزيوم أخرى.
وللحفاظ على الوقت المثالي ، من الأفضل أن تتبع الساعات اهتزازات ذرة واحدة. لكن في هذا المقياس ، تكون الذرة صغيرة جدًا بحيث تتصرف وفقًا للقواعد الغامضة لميكانيكا الكم: عند قياسها ، فإنها تتصرف كعملة مقلوبة لا تعطي الاحتمالات الصحيحة إلا عند حساب متوسطها على عدة تقلبات. هذا القيد هو ما يشير إليه الفيزيائيون بحدود الكم المعياري.
يقول كولومبو: "عندما تزيد عدد الذرات ، فإن المتوسط الذي تعطيه كل هذه الذرات يتجه نحو شيء يعطي القيمة الصحيحة".
هذا هو السبب في أن الساعات الذرية اليوم مصممة لقياس غاز يتكون من آلاف من نفس النوع من الذرات ، من أجل الحصول على تقدير لمتوسط تذبذباتها. تقوم الساعة الذرية النموذجية بذلك عن طريق استخدام نظام الليزر أولاً لحبس غاز من الذرات فائقة التبريد في مصيدة مكونة من الليزر. يتم إرسال ليزر ثانٍ شديد الثبات ، بتردد قريب من تردد اهتزازات الذرات ، لسبر التذبذب الذري وبالتالي تتبع الوقت.
ومع ذلك ، لا يزال الحد الكمي القياسي قيد العمل ، مما يعني أنه لا يزال هناك بعض عدم اليقين ، حتى بين آلاف الذرات ، فيما يتعلق بتردداتها الفردية الدقيقة. هذا هو المكان الذي أظهر فيه فولتيك ومجموعته أن التشابك الكمومي قد يساعد. بشكل عام ، يصف التشابك الكمومي حالة فيزيائية غير كلاسيكية ، حيث تُظهر الذرات في مجموعة نتائج قياس مترابطة ، على الرغم من أن كل ذرة فردية تتصرف مثل القرعة العشوائية لعملة.
استنتج الفريق أنه إذا كانت الذرات متشابكة ، فإن تذبذباتها الفردية ستضيق حول تردد مشترك ، مع انحراف أقل مما لو لم تكن متشابكة. وبالتالي ، فإن متوسط التذبذبات التي يمكن أن تقيسها الساعة الذرية سيكون لها دقة تتجاوز الحد الكمي القياسي.
الساعات المتشابكة
في ساعتهم الذرية الجديدة ، يربط فولتيك وزملاؤه حوالي 350 ذرة من الإيتربيوم ، والتي تتأرجح في نفس التردد العالي جدًا للضوء المرئي ، مما يعني أن أي ذرة تهتز 100000 مرة أكثر في ثانية واحدة من السيزيوم. إذا كان من الممكن تتبع تذبذبات الإيتربيوم بدقة ، فيمكن للعلماء استخدام الذرات لتمييز فترات زمنية أصغر من أي وقت مضى.
استخدمت المجموعة تقنيات قياسية لتبريد الذرات وحبسها في تجويف بصري مكون من مرآتين. ثم أرسلوا ليزرًا عبر التجويف البصري ، حيث يتنقل بين المرآتين ، ويتفاعل مع الذرات آلاف المرات.
يوضح شو: "إنه مثل الضوء بمثابة رابط اتصال بين الذرات". "ستعمل الذرة الأولى التي ترى هذا الضوء على تعديل الضوء قليلاً ، وهذا الضوء يعدل أيضًا الذرة الثانية ، والذرة الثالثة ، ومن خلال العديد من الدورات ، تعرف الذرات بعضها البعض معًا وتبدأ في التصرف بشكل مشابه."
بهذه الطريقة ، يشابك الباحثون الذرات كمياً ، ثم يستخدمون ليزرًا آخر ، مشابهًا للساعات الذرية الموجودة ، لقياس متوسط ترددها. عندما أجرى الفريق تجربة مماثلة دون تشابك الذرات ، وجدوا أن الساعة الذرية مع الذرات المتشابكة وصلت إلى الدقة المطلوبة أربع مرات أسرع.
يقول فولتيك: "يمكنك دائمًا جعل الساعة أكثر دقة عن طريق القياس لفترة أطول". السؤال هو ، كم من الوقت تحتاج للوصول إلى دقة معينة. يجب قياس العديد من الظواهر على نطاقات زمنية سريعة. "
يقول إنه إذا كان من الممكن تكييف أحدث الساعات الذرية اليوم لقياس الذرات المتشابكة كميًا ، فلن يحافظوا على وقت أفضل فحسب ، بل يمكنهم أيضًا المساعدة في فك رموز الإشارات في الكون مثل المادة المظلمة وموجات الجاذبية ، والبدء في أجب عن بعض الأسئلة القديمة.
"مع تقدم الكون في العمر ، هل تتغير سرعة الضوء؟ هل تتغير شحنة الإلكترون؟ " يقول فولتيك. "هذا ما يمكنك فحصه باستخدام ساعات ذرية أكثر دقة."
المصدر