كيف تبدأ الساعة النووية
Thorsten Schumm صانع ساعات ، لكنه ليس من النوع الذي يجلس على طاولة عمل مغطاة بزنبركات وآليات ، مع عدسة مكبرة مثبتة بإحكام في عين واحدة. لا ، إنه يصنع ساعة على مستوى آخر تمامًا.
قد تبدو الساعات الذرية مألوفة بالنسبة لك ، ولكن إذا سار بحث شوم وفقًا للخطة ، فقد يؤدي ذلك إلى إنشاء ساعة نووية. وبعيدًا عن مجرد إخبار الوقت ، يمكن أن يساعد في فك شفرة بعض أفضل أسرار الكون المحفوظة.
قال شوم ، الأستاذ في جامعة فيينا للتكنولوجيا: “لا يزال هذا حلما”. “لا أحد يعرف كيف يفعل ذلك.”
ينوي تغيير ذلك ، وفي أثناء ذلك ، إلقاء الضوء على بعض قوى الطبيعة الأساسية.
جزء من الثانية
يمكن أن تستند الساعة إلى أي شيء يتأرجح على فترات منتظمة ويمكن قراءتها. الساعات الأولى كانت ميكانيكية. اليوم ، تستخدم العديد من ساعات المعصم التذبذبات الكهروميكانيكية لبلورة الكوارتز.
لكن تكنولوجيا الساعات تقدمت في الخمسينيات من القرن الماضي مع ظهور الساعات الذرية.
تتكون الذرات من نواة محاطة بسحابة من الإلكترونات تدور حولها. يعتمد دقات الساعة الذرية على “التحولات الكمومية” لهذه الإلكترونات.
إنه يعمل على النحو التالي: تمتص الإلكترونات حزمة من الطاقة ، والتي تنقلها من “الحالة الأرضية” إلى “الحالة المثارة” ذات الطاقة الأعلى. يمكنهم بعد ذلك العودة إلى الحالة الأرضية ، وإطلاق حزمة الطاقة في وقت الهبوط.
تحدث انتقالات الطاقة هذه بتردد معين يمكن استخدامه للتوقيت. هذه العملية برمتها سريعة للغاية.
على سبيل المثال ، يتم تعريف الثانية رسميًا على أنها 9192.631.770 ذبذبة لحزمة من الطاقة تثير ذرة سيزيوم -133. الساعات الذرية دقيقة جدًا لأنها تنتج عددًا هائلاً من التذبذبات أو القراد. لذلك إذا فاتت آلية القراءة واحدة أو اثنتين ، فهي ليست مشكلة كبيرة بشكل عام عندما يكون هناك أكثر من 9 مليارات في الثانية.
الساعات النووية مختلفة. لن يعتمد التكتكة على الإلكترونات ، بل على اهتزازات النواة نفسها. هذه أسرع بعدة مرات من دقات انتقالات الإلكترون.
ولكن ، كما يقول شوم ، يستمر العمل على تشغيل ساعة نووية.
صدفة سعيدة
أصبح مهتمًا بحل هذا اللغز النووي جزئيًا بالصدفة.
اتضح أن النظير النادر لعنصر الثوريوم 229 هو أخف مادة يمكن أن تُبنى منها ساعة نووية. السبب: يُعتقد أنه يحتوي على أبطأ القراد من أي نواة. علاوة على ذلك ، فإن المعهد الذي يعمل فيه شوم هو أحد الأماكن القليلة التي يمكنها الوصول إلى هذه المواد.
لا يحدث الثوريوم 229 بشكل طبيعي. يتم إنتاجه فقط عن طريق الاضمحلال النووي لأنواع معينة من اليورانيوم. دخلت جامعة فيينا للتكنولوجيا في اتفاقية مع مختبر أوكريدج الوطني في الولايات المتحدة تسمح لها بالحصول على كمية من الثوريوم 229 من بقايا اليورانيوم المستخدم في قبل عقود من التجارب النووية. متابعة.
لم يستطع شوم إلا أن يلاحظ أن اسمه الأول واسم العنصر يأتيان من الإله الإسكندنافي الأسطوري ثور.
قال: “هذا دفعني إلى الأمام”.
لقد حان الوقت
ابتداءً من عام 2020 ، يجري شوم بحثًا أساسيًا حول إنشاء ساعة نووية من خلال مشروع ThoriumNuclearClock الممول من الاتحاد الأوروبي ، والذي يستمر حتى عام 2026.
شوم وزميله البروفيسور إيكيهارد بيك من المعهد الوطني الألماني للقياس في براونشفايغ يتشاركان دور الباحثين الرئيسيين ، جنبًا إلى جنب مع ماريانا سافرونوفا من جامعة ديلاوير في الولايات المتحدة وبيتر ثيرولف من LMU في ميونيخ ، ألمانيا.
لإطلاق ساعة نووية ، فإنها تحتاج إلى نبضة مع ضبط ليزر على مستوى الطاقة المناسب تمامًا. ولكن بالنسبة لمعظم النوى ، لا يمكن الوصول إلى تردد الطاقة المطلوب باستخدام تقنية الليزر الحالية.
الثوريوم -229 هو أحد أكبر النوى المستقرة في الوجود. كان يُعتقد أنه يمكن أن يتبنى حالة طاقة منخفضة جدًا يمكن أن تصل إليها أشعة الليزر الحالية – على الرغم من أنه لا أحد يفهم حقًا كيف أو لماذا يحدث هذا.
قال شوم: “بادئ ذي بدء ، لم يكن واضحًا حتى وجود حالة الثوريوم 229 هذه”.
من المعروف الآن وجوده. في عام 2020 ، نشر شوم وزملاؤه قياسًا لمستوى طاقة النظير. منذ ذلك الحين ، استمروا في تطوير هذه المعرفة.
كل هذا يمهد الطريق للاختبار الفعلي للساعة. عمل شوم وزملاؤه الباحثون على بناء ليزر مصمم خصيصًا لتحفيز الثوريوم بالتردد الصحيح تمامًا.
وسرعان ما يخططون لأول مرة لتوجيه الليزر نحو بعض ذرات الثوريوم المحاصرة في محاولة لجعلها نابضة.
قال بيك “نحن متحمسون للغاية بشأن نتيجة هذه التجربة لأنه لم يقم أحد بذلك من قبل”. “لقد حاولنا وآخرون إجراء تجارب ذات صلة بالثوريوم 229 في الماضي ، ولكن دون نجاح. هذه المرة ، نشعر أننا على استعداد أفضل بكثير “.
واضح كالبلور
بالنسبة لهذه التجارب ، سيتم الاحتفاظ بذرات الثوريوم في مصائد ذرية ، وهي عملية متطلبة للغاية. بينما كان مشروع ThoriumNuclearClock قيد التنفيذ بالفعل ، نسق شوم أيضًا مشروعًا ممولًا من الاتحاد الأوروبي لمدة عامين يسمى CRYSTALCLOCK يهدف إلى تطوير آلية تصميم وقراءة أبسط لساعة نووية.
كانت فكرة المشروع هي إنتاج بلورة مصنوعة من فلوريد الكالسيوم وتشتيت ذرة الثوريوم 229 موزعة من خلال المادة. بهذه الطريقة ، يتم الحصول على مادة صلبة ، والتي يمكن التعامل معها بسهولة أكبر بكثير من المصائد الذرية.
نشر شوم وزملاؤه ، بمن فيهم توماس سيكورسكي ، ورقة بحثية في عام 2022 توضح إمكانية إنتاج بلورات الثوريوم هذه. ستكون الخطوة التالية هي البدء في فهم كيفية قراءة “تكتكة” هذه البلورات.
يوضح شوم أن تقنية تسمى التصوير المقطعي النووي يمكن تكييفها لهذا الغرض وأن العملية برمتها ستكون أسهل بكثير من استخدام ذرات الثوريوم المحاصرة.
قوى الطبيعة
كل هذه الجهود جديرة بالاهتمام ليس بسبب الحاجة إلى ساعات أكثر دقة ، ولكن لأن فهم البشرية الأساسي لكيفية عمل الواقع يمكن اختباره.
توضح أفضل نظريات الفيزياء أن للكون أربع قوى أساسية: الجاذبية ، والكهرومغناطيسية ، والقوة النووية الضعيفة ، والقوة النووية الشديدة. قوة هذه القوى معروفة ، وغالبًا ما يشار إلى قيمها على أنها “ثوابت” أساسية.
لكن من غير المعروف ما إذا كانت قوة هذه القوات كانت أو ستظل كما هي. هناك مؤشرات على أن القوى كانت أقوى بكثير في الماضي البعيد ، بالقرب من الانفجار العظيم ، وأنها ربما لا تزال تشهد تغيرات دقيقة.
يمكن للساعات الذرية والنووية أن تسهل اختبار هذه القرائن. يتأثر دقات الساعة الذرية في الغالب بقوة الكهرومغناطيسية ، لذلك إذا بدأت سرعة التكتكة في التغير ، فإن هذا يشير إلى انحراف في القوة الكامنة.
ومع ذلك ، فإن الكهرومغناطيسية ضعيفة للغاية ، لذلك من الممكن ألا تتمكن الساعات الذرية ، على الرغم من دقتها المذهلة ، من اكتشاف أي تغييرات فيها.
بدلاً من ذلك ، يتأثر تدق الساعات النووية بالقوة الشديدة. لذلك إذا تم إنشاء ساعة نووية عاملة وعندما تم إنشاءها ، فيمكن استخدامها لرصد وجود تغييرات في القوة الشديدة على مدى فترات زمنية.
قال شوم: “لا يتعلق الانتقال من الذرات إلى النوى بالحصول على ساعة أفضل”. في الواقع ، ربما لن تكون الساعة النووية الأولى جيدة مثل أفضل الساعات الذرية. الفكرة هي أن يكون لدينا تقنية جديدة بالكامل يمكنها أساسًا اختبار القوة الصلبة “.
تم تمويل البحث المذكور في هذه المقالة من قبل مجلس البحوث الأوروبي التابع للاتحاد الأوروبي و Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA). نُشر هذا المقال في الأصل في Horizon ، مجلة الأبحاث والابتكار التابعة للاتحاد الأوروبي.
