ساعة نووية بصرية

البندول في هذه الساعات لا يتأرجح بنابض أو ثقل، بل بدفعة صغيرة داخل النواة الذرية. الساعات الذرية العادية تقيس الوقت بتذبذبات الإلكترونات، لكن هنا البندول هو النواة نفسها — كرة كثيفة من البروتونات والنيوترونات. للثوريوم-229 انتقال نووي خاص — تغير في حالة الطاقة للنواة — يمكن «تشغيله» بالضوء. إذا أزلنا معظم الإلكترونات، تصبح الساعة نقية بشكل مدهش: أجزاء أقل تعني تشويشًا أقل.

يشبه تكتكة الساعات الذرية ضربات بندول الإيقاع، لكن بدل البندول نجد اهتزازات الإلكترونات في الذرة. ساعتان من هذا القبيل – واحدة على أيون الإيتربيوم والأخرى على ذرات السترونشيوم – وُضعتا جنبًا إلى جنب ليقارن الباحثون إيقاعهما. استغرقت القياسات نحو عامين.

النسبية العامة، التي تصف بنية الكون، لا تمنع الحلقات الزمنية. لكن ستيفن هوكينج طرح فرضية "حماية التسلسل الزمني": حيث يجب أن تعمل التأثيرات الكمومية على تدمير هذه الحلقات، مما يجعل السفر إلى الماضي مستحيلًا. تقترح تجربة جديدة اختبار هذه الفكرة باستخدام الليزر.

تخيل بندولين معلقين على خيط مشترك: ادفع أحدهما، وسيبدأ الآخر بالتأرجح، وبعد لحظة يتلقى الأول دفعة استجابة. في ذرة الثوريوم-229 يحدث شيء مشابه: الطاقة تنتقل بين الغلاف الإلكتروني والنواة تقريبًا دون فقدان.

أدق بندول في العالم ليس قضيبًا فولاذيًا، بل نواة ذرية صغيرة. لنظير الثوريوم-229 حالة مثارة خاصة: لتحويل النواة إليها، نحتاج طاقة قليلة جدًا — تقريبًا مثل طاقة ليزر فوق بنفسجي. هذا أشبه بهزّ ثريا ثقيلة ليس برافعة، بل بنقرة خفيفة من الإصبع.

بندول لا يكاد أي شيء أن يزيحه عن مساره، لا يخاف لا من الاهتزاز ولا من الحرارة ولا من المجالات المغناطيسية — لأنه مخبأ في صميم الذرة. هذا البندول بالتحديد هو ما استخدمه الفيزيائيون عندما شغّلوا لأول مرة ساعة نووية. في السابق، كانت أفضل الساعات — البصرية — تعمل على انتقالات الإلكترونات. لكن الإلكترونات تعيش على أطراف الذرة، مثل فراشات في مهب الريح: أي تأثير خارجي يزعجها.

أكثر الساعات الحديثة دقة تحسب الوقت من خلال تذبذبات الإلكترونات في الذرات. لكن حركتها يمكن أن تتأثر — كما يتأثر نابض الساعة الميكانيكية بالاهتزاز. وجد الفيزيائيون بندولاً أكثر موثوقية: نواة الذرة. أخذوا نواة الثوريوم-229، ووضعوها في بلورة، وجعلوها تتذبذب بتسليط ليزر بتردد محدد بدقة.

في أعماق النواة الذرية للثوريوم-229 تختبئ ذراع رافعة محكمة. لتحويلها من وضع إلى آخر، يلزم بذل جهد — وعادةً ما يتطلب ذلك وقتاً. يمتلك هذا النظير مستويين من الطاقة متقاربين جداً، ويمكن إحداث الانتقال بينهما بنبضة ليزر. لكن إذا تصرفنا بخشونة، فقد تنفلت الذراع، وإذا كنا حذرين أكثر من اللازم، ستطول العملية. حتى وقت قريب، استخدم الفيزيائيون أسلوب إعادة التوجيه التدريجي.

نواة الذرة تشبه نابضًا طبيعيًا ذا قوة هائلة. عندما تعيد البروتونات والنيوترونات داخلها ترتيب نفسها، تنتقل النواة إلى حالة خاصة طويلة الأمد تُسمى أيزومر نووي. فيه تُختزن الطاقة كما لو أن النابض مضغوط إلى أقصى حد. ولإعداد هذه الآلية، تُضرب النواة بنبضة فائقة القصر من ليزر الأشعة السينية، مع ضبط الضربة بدقة لتكون في رنين.

في جزيء البنزين، تدور الإلكترونات حول الأنوية مثل سرب نحل حول خلية. لكن هذا السرب لا يطن فحسب — بل ينبض: كل 856 أتوسكند، تكمل السحابة الإلكترونية دورة تذبذب كاملة. أما الخلية نفسها — أنوية ذرات الكربون — فتهتز ببطء أكبر، بفترة 36 فيمتوثانية. مهمة التقاط الحركتين معًا تشبه محاولة تصوير رفرفة جناح طنان وانقباض عضلة صدره في لقطة واحدة.

يتأرجح البندول بدقة مذهلة، فلو كان يعدّ الثواني منذ الانفجار العظيم، لما أخطأ حتى اليوم سوى نصف ثانية. هذا هو استقرار الليزر فوق البنفسجي المحمول الجديد — قلب ساعات الألومنيوم الذرية. يعمل هذا الليزر كمسطرة فائقة الدقة لقياس تردد الانتقال الذري.

في أقبية أربعة معاهد أوروبية، وُضعت سبعة أجهزة — يمكن تشبيه كل منها بشوكة رنانة بدقة لا تُتصور. لكن بدلًا من الصوت، تصدر «دقات» من الضوء: اهتزازات ليزر محبوس على تردد معين بواسطة ذرات السترونشيوم أو الإيتربيوم أو الزئبق. هذه الذرات، المبرَّدة إلى ما يقارب الصفر المطلق، تعمل مثل دولاب موازنة ضخم لا يخطئ خطوة واحدة.

نواة ذرة الثوريوم-229 تشبه وتر العود المشدود: فهي تهتز بتردد محدد بدقة. 'لإصدار النغمة'، نحتاج إلى ضربة دقيقة - شعاع ليزر ذي لون محدد بدقة. وتعود جذور الفكرة إلى اكتشاف النشاط الإشعاعي على يد إرنست رذرفورد وماري كوري. ومثل جسم العود، يقوم تجويف بلوري مجهري بتضخيم الضوء القادم من الليزر عدة مرات، ويثير نوى الثوريوم بفعالية.

الساعة ليست مجرد عقارب. فكل نواة ذرية هي بندول إيقاعي طبيعي: تهتز بانتظام شبه مثالي. إذا رُفعت إحدى هذه البندولات الإيقاعية بضعة أمتار، فسيتسارع إيقاعها قليلاً — وهذا هو انحناء الزمن الذي تنبأ به أينشتاين.

شعاع ليزر بقوة تعادل همسة من الضوء نقل نواة الثوريوم-229 إلى حالة مثارة ذات طاقة أعلى. تتطلب معظم النوى الذرية دفعة طاقة قوية لمثل هذا الانتقال، لكن الثوريوم-229 يمتلك فجوة طاقة صغيرة بشكل فريد بين الحالة الأرضية وأول حالة مثارة، مما يسمح بإحداث الانتقال حتى بهذا التأثير اللطيف.

يحبس الحاسوب الكمومي الذرات في مصائد ضوئية، مثل كرات في حفر صغيرة. لقراءة النتيجة، يجب تصوير كل ذرة وتحديد ما إذا كانت متوهجة أم لا. سابقًا، كان تحليل هذه الصور يستغرق وقتًا طويلًا لدرجة أن الحاسوب كان يظل خاملًا. الآن، صنع المهندسون لوحة خاصة تنظر إلى الصورة وتحدد مواقع الذرات فورًا.

في جزيء مشابه بنيويًا للكلوروفيل ومبني من الكربون، تعمل الذرّة المعدنية المركزية كمفتاح. تحريك هذه الذرّة أجزاءً من النانومتر يسمح بتشغيل أو إخماد أو تضخيم توهّج الجزيء مئات المرات بشكل عكوس.

لا يستطيع موظف الجمارك تفكيك حقيبة سفر ليعرف ما بداخلها. إنه يفحصها بالأشعة السينية، ومن خلال الظلال على الشاشة يدرك: هذا معدن، وهذا مادة عضوية. وبالمثل، يجب على مفتش معاهدات نزع السلاح النووي المستقبلية أن يفحص الرأس الحربي — دون فتحه ودون رؤية المحتويات السرية. النيوترونات أنسب من الأشعة السينية لمثل هذا الفحص.

جسيم صغير يطفو في شعاع ليزر، مثل ذرة غبار في ضوء مصباح يدوي. تدفعه جزيئات الماء باستمرار، بشكل عشوائي ومن جميع الاتجاهات. عادةً ما تكون هذه الدفعات مزعجة: فالجسيم يتحرك بعشوائية، وتتحول القياسات الدقيقة إلى يانصيب. لكن الفيزيائيين ابتكروا طريقة لتحويل هذه الإزعاجات إلى ميزة.

الساعات الذرية العادية تنبض عندما يقفز إلكترون بين مستويات الطاقة. لكن المجالات الخارجية والاصطدامات قد تخل بهذا الإيقاع. الأيونات عالية الشحنة — ذرات نُزعت منها إلكترونات كثيرة — تكاد لا تلاحظ مثل هذه الاضطرابات: إلكتروناتها تقع في عمق الذرة وترتبط بقوة. لذلك فهي تصنع «بندولات» فائقة الاستقرار. أيون Cf17+ هو ذرة كوريوم نُزعت منها 17 إلكترونًا.

تعيش النواة الذرية عادةً في حالة طاقة واحدة، مثل كرة ملقاة على الأرض. لكن لدى الثوريوم-229 استثناء نادر: يمكن للنواة أن تعلق على درجة صغيرة فوق الأرض — فيما يسمى الحالة الأيزومرية. هذه الدرجة منخفضة جداً لدرجة أنه يمكن الوصول إليها بضوء عادي، وليس بإشعاع قاسٍ. ولهذا السبب أصبح أيزومر الثوريوم-229 المرشح الرئيسي للساعات النووية — وهو جهاز يقيس الزمن بناءً على اهتزازات النواة نفسها، وليس الإلكترونات المحيطة بها.

مقياس حرارة لا يكذب لسنوات. موازين الحرارة المقاومة العادية، حتى الدقيقة منها، تبدأ في ارتكاب الأخطاء بمرور الوقت: فالمواد تتقادم، وتتأكسد التلامسات، وتنزلق القراءات. أما مقياس الحرارة الكمومي الجديد فيعمل بشكل مختلف — فهو يستخدم ذرات الروبيديوم نفسها كمعيار. داخل خلية زجاجية صغيرة يوجد بخار الروبيديوم. يسلط العلماء عليه ليزرًا، فتهتز الذرات وتصدر ضوءًا بلونين مختلفين.

يمر شعاع الليزر عبر كوفيت زجاجي يحتوي بخار الروبيديوم، ومن طريقة امتصاص الذرات للضوء يمكن معرفة حرارتها. هذا يشبه قياس سرعة السيارات من خلال عدم وضوح الصورة الفوتوغرافية: فكلما تحركت الذرات أسرع، اتسع خط الامتصاص. مقياس الحرارة العادي يضيء بتردد واحد ويغيّره ببطء، مثل شخص يجرب مفاتيح البيانو واحدًا تلو الآخر.

لكل ذرة "صوتها" الخاص — تردد الضوء الذي تُصدره. وبين النظائر — وهي ذرات تختلف في عدد النيوترونات — تختلف الأصوات قليلاً. الأمر أشبه بجوقة: إن كنت تعرف النوتة الموسيقية بدقة، فإن أي نشاز بسيط يكشف عن تدخل خارجي. مخطط كينغ هو وسيلة لمقارنة مدى تناغم نغمتين من نظيرين مختلفين.

بوصلة مغناطيسية في أنبوب اختبار — يبدو وكأنه خدعة سحرية، لكنه فيزياء خالصة. في محلول الفومارات (ملح حمض الماليك)، تتصرف نوى الكربون-13 وكأنها قمم دوارة صغيرة. عندما ينخفض المجال المغناطيسي الخارجي إلى 400 نانو تسلا — أي أضعف بمئة ألف مرة من مجال الأرض — يكاد مستويا الطاقة لهذه القمم يندمجان.

سخّن ساعة كوارتز عادية بعشر درجات، وستبدأ بالتأخر ثوانٍ في اليوم. الساعات الذرية أدق، لكنها تشغل خزانة كاملة. الألماس بعيب صغير — الفراغ النيتروجيني — يعد بدقة الساعات الذرية في حجم حبة رمل. مشكلة واحدة: هذا العيب حساس جداً للحرارة، مثل شوكة رنانة تغيّر نغمتها مع حرارة الهواء. في العمل الجديد، جعلوا العيب يصدح بصوتين في آنٍ واحد.

الساعات الذرية العادية هي في جوهرها عدّادات بصرية: فهي تستخدم التحليل الطيفي — وهي طريقة تتيح قياس تردد الإشعاع بدقة عالية عند انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة. لكن الثوريوم-229 له خاصية: نواته تمتلك حالة مثارة بعمر نصف يبلغ 641 ثانية.

عزم ثنائي القطب المقاس للتنتالوم-181: 3.39 × 10⁻³² e·سم - مثل ملاحظة إزاحة بمقدار ذرة واحدة على مقياس النظام الشمسي. عادةً ما تكون النواة الذرية متوازنة تماماً كالقمة الدوارة. أما في التنتالوم، فإن التوازن مختل: الشحنات الموجبة والسالبة منزاحة قليلاً بالنسبة لبعضها البعض.

غشاء رقيق من ثاني أكسيد الثوريوم بسمك 10 نانومتر فقط على قرص فولاذي. نبضة ليزر تضربه، لكن بدلاً من التوهج المتوقع، يلتقط الكاشف تيارًا من الإلكترونات. هكذا، ولأول مرة، أمكن رؤية الانتقال النووي للثوريوم-229 في مادة تمتص إشعاعها بالكامل. النواة الخفية تحدثت بلغة الإلكترونات. الانتقال النووي في الثوريوم-229 هو الأقل طاقة بين المعروفة: فقط 8.4 إلكترون فولت.