ساعت هسته‌ای؛ نسل جدید ساعت‌های فوق‌دقیق
ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند بسیار دقیق‌تر (حدود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر دقیق‌تر) از ساعت‌های اتمی باشند؛ این موضوع اهمیت زیادی دارد.
وبگاه هاکدی در گزارشی آورده است: ساعت‌های اتمی بسیار دقیق هستند. اما همان‌طور که انتظار می‌رود، بعضی ساعت‌های اتمی از بقیه بهترند؛ هرچند این بهتربودن به تعریف ما بستگی دارد.
این تفاوت مهم است، چون ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند دقت اندازه‌گیری زمان را چند صد برابر افزایش دهند و در برابر عوامل محیطی نیز پایدارتر باشند. پژوهشگران دانشگاه وین در مقاله‌ای که در مجله نِیچِر/ Nature منتشر شده، می‌گویند یک ساعت برتر مبتنی بر توریوم ساخته‌اند.
این ساعت لزوماً از سایر ساعت‌های اتمی دقیق‌تر نیست، اما خودتنظیم است؛ یعنی خودش را بدون کمک خارجی تنظیم می‌کند. توریوم چیست؟
توریوم یک عنصر شیمیایی رادیواکتیو است که در طبیعت، در سنگ‌ها و ماسه‌ها یافت می‌شود. هسته توریوم دو حالت انرژی دارد که فاصله‌شان بسیار کم است.
یعنی انرژی لازم برای جابه‌جایی بین این دو حالت بسیار ناچیز است. همین فاصله کم باعث می‌شود بتوان با لیزر آن را تحریک کرد و از آن به‌عنوان یک تپ‌سنج فوق‌دقیق استفاده کرد.
تپ‌سنج چیست؟ تپ‌سنج وسیله‌ای است که نوسان‌های منظم و تکرارشونده تولید می‌کند.
مثل پاندول ساعت که هر بار به چپ و راست می‌رود، یک تپ ایجاد می‌کند. در این ساعت، هسته توریوم نقش تپ‌سنج را بازی می‌کند.
یعنی هر بار که هسته توریوم از یک حالت انرژی به حالت دیگر می‌رود، مثل یک تپ ساعت عمل می‌کند. چون این تپ‌ها بسیار منظم و دقیق هستند، می‌توان از آن‌ها برای اندازه‌گیری زمان استفاده کرد.
چرا توریوم؟ ساعت‌های اتمی قبلی برای پایدارماندن به کمک نیاز دارند، اما دانشمندان فکر می‌کردند توریوم، به‌خاطر فاصله بسیار باریک بین دو حالتش، می‌تواند با کمک یک لیزر، یک ساعت عالی بسازد.
البته لیزر باید ویژگی‌های دقیقی داشته باشد که دست‌کم در آزمایش‌های اولیه، توسط یک ساعت هسته‌ای دیگر تأمین می‌شد. خودتنظیمی چگونه کار می‌کند؟
اساس کار این است: با یک لیزر، بلور توریوم را تحریک می‌کنند و سپس از خروجی خودِ توریوم برای تنظیم لیزر استفاده می‌کنند. این کار باعث می‌شود ساعت خودش را بدون کمک خارجی تنظیم کند.
پژوهشگران دانشگاه وین همین کار را انجام داده‌اند. اگر لیزر کمی از فرکانس درست منحرف شود، هسته‌های توریوم نور کمتری جذب می‌کنند.
همین تغییر کوچک در جذب نور، باعث می‌شود فرکانس خروجی به‌طور خودکار تنظیم شود و لیزر دوباره به مسیر درست برگردد؛ به بیان ساده، توریوم و لیزر مثل دو چرخ‌دنده عمل می‌کنند که یکدیگر را تنظیم می‌کنند. اگر یکی از مسیر خارج شود، دیگری آن را برمی‌گرداند.
این ساعت در واقع یک ساعت هسته‌ای است در ساعت‌های اتمی، از تغییر حالت الکترون‌ها استفاده می‌شود، اما در این ساعت، از تغییر حالت خودِ هسته استفاده می‌شود. چون هسته در برابر عوامل محیطی محافظت‌شده‌تر است، این ساعت می‌تواند دقیق‌تر و پایدارتر باشد؛ به همین دلیل، بعضی کارشناسان می‌گویند استفاده از عبارت ساعت اتمی دقیق نیست و بهتر است از ساعت هسته‌ای استفاده شود.
به گفته کارشناسان، ساعت‌های اتمی از تغییر حالت الکترون‌ها استفاده می‌کنند؛ یعنی از تغییر وضعیت الکترون‌هایی که به هسته متصل‌اند؛ اما ساعت‌های هسته‌ای از تغییر حالت خودِ هسته (یعنی از تغییر وضعیت پروتون‌ها و نوترون‌های داخل هسته) استفاده می‌کنند. ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند بسیار دقیق‌تر (حدود ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ برابر دقیق‌تر) از ساعت‌های اتمی باشند؛ این موضوع اهمیت زیادی دارد.
پس نامیدن این ساعت توریومی به‌عنوان یک ساعت اتمی بسیار نادرست است. کارشناسان معتقدند نکته هیجان‌انگیز این پژوهش بخش لیزر آن نیست؛ بلکه این است که یک حالت برانگیخته هسته‌ای با لیزر دسترس‌پذیر شده است.
ساعت‌های اتمی کلاسیک از یک تغییر حالت الکترونی بسیار پایدار و باریک استفاده می‌کنند. اما این ساعت از تغییر حالت در هسته استفاده می‌کند.
هسته بسیار بیشتر از ابر الکترونی در برابر محیط محافظت‌شده است و این نوید را می‌دهد که بسیار پایدارتر از قبل باشد. چرا این تفاوت مهم است؟
ساعت‌های اتمی و هسته‌ای از دو روش متفاوت استفاده می‌کنند. ساعت‌های اتمی از تغییر حالت الکترون‌ها (یعنی از تغییر وضعیت الکترون‌هایی که به هسته متصل‌اند) استفاده می‌کنند؛ اما ساعت‌های هسته‌ای از تغییر حالت خودِ هسته (یعنی از تغییر وضعیت پروتون‌ها و نوترون‌های داخل هسته) استفاده می‌کنند.
این تفاوت سه نتیجه مهم دارد: ۱. دقت بیشتر.
ساعت‌های اتمی دقت بالایی دارند، اما ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند حدود ۱۰۰ تا هزار برابر دقیق‌تر باشند. به این می‌گویند دو تا سه مرتبه بزرگی دقیق‌تر؛ ۲.
محافظت بیشتر در برابر محیط. الکترون‌ها در اطراف هسته قرار دارند و به‌راحتی تحت تأثیر عواملی مثل دما، فشار یا میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند.
اما هسته در مرکز اتم قرار دارد و لایه‌های الکترونی دور آن مثل یک سپر عمل می‌کنند؛ بنابراین هسته در برابر این عوامل بسیار محافظت‌شده‌تر است؛ ۳. پایداری بیشتر.
چون هسته در برابر عوامل محیطی محافظت‌شده‌تر است، ساعت‌های هسته‌ای پایدارترند و کمتر دچار خطا می‌شوند. به بیان ساده، ساعت‌های اتمی خوب هستند، اما ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند دقیق‌تر و پایدارتر باشند، چون از چیزی استفاده می‌کنند که در برابر عوامل محیطی محافظت‌شده‌تر است.
چشم‌انداز آینده ساعت‌های اتمی نوری، استاندارد آینده اندازه‌گیری زمان هستند؛ اما این پژوهش نشان می‌دهد که ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند در آینده نتایج دقیق‌تری ارائه دهند. به گفته کارشناسان، چون هسته در برابر عوامل محیطی محافظت‌شده‌تر است، ساعت‌های هسته‌ای می‌توانند بسیار پایدارتر از ساعت‌های اتمی فعلی باشند.
