ساعت فواره‌ای جدید سزیم موسسه ملی استانداردها و فناوری آمریکا (NIST)، یکی از دقیق‌ترین ساعت‌های اتمی ساخته‌شده تاکنون محسوب می‌شود. دانشمندان قصد دارند از این ساعت به‌عنوان ساعت مرجع برای تعریف خود زمان استفاده کنند.

به گزارش زومیت، ساعت اتمی NIST-F4 به قدری دقیق است که اگر ۱۰۰ میلیون سال پیش یعنی، زمانی که دایناسورها زندگی می‌کردند، شروع به کار می‌کرد، اکنون فقط کمتر از یک ثانیه اشتباه داشت. این دقت بالای ساعت به دلیل نحوه عملکرد آن است که براساس تغییرات اتم‌های سزیم تحت‌تاثیر پرتو ریزموج عمل می‌کند.

سازندگان ساعت جدید که دانشمندان موسسه ملی استانداردها و فناوری در کلرادو هستند، جزئیات عملکرد ساعت NIST-F4 را ۱۵ آوریل در نشریه‌ی Metrologia منتشر کردند.

ساعت جدید از آوریل ۲۰۲۵ درحال کار است، اما به تایید نهایی نیاز دارد تا به مجموعه‌ای از حدود ۴۵۰ ساعت دیگر در سراسر جهان بپیوندد که برای تعریف زمان جهانی به نام ساعت هماهنگ جهانی یا UTC استفاده می‌شوند؛ سامانه‌ای جهانی که برای دقیق‌ترین اندازه‌گیری از ضرب‌آهنگ یک ثانیه به‌کار می‌رود.

سیگنال‌های زمانی در زندگی روزمره استفاده‌های فراوانی دارند و به‌طور مداوم در مقیاس‌های بسیار بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سیگنال‌ها نه تنها برای تنظیم ساعت‌ها استفاده می‌شوند، بلکه برای ثبت دقیق زمان تراکنش‌های مالی الکترونیکی نیز که به ارزش صدها میلیارد دلار می‌رسند، به کار می‌روند.

با افزایش نیاز به زمان‌سنجی دقیق‌تر، دانشمندان همواره درحال کار روی ساخت ساعت‌های مرجع بهتر هستند. ساعت‌های مرجع، نمونه‌هایی هستند که زمان سایر ساعت‌ها براساس آن‌ها تنظیم می‌شود. برخلاف ساعت‌های معمولی که در زندگی روزمره استفاده می‌کنیم، این ساعت‌ها از نوع اتمی محسوب می‌شوند و زمان دقیق خود را از ارتعاشات اتم‌ها به دست می‌آورند.

در این ساعت اتمی، ابتدا اتم‌های سزیم با کمک دو پرتو لیزری به سمت بالا پرتاب می‌شوند. بعد از آن، اتم‌ها دراثر نیروی گرانش به سمت پایین برمی‌گردند و در مسیر سقوط، از میان پرتو ریزموج عبور می‌کنند. این پرتو به گونه‌ای تنظیم شده است که باعث نوسان (لرزیدن) اتم‌ها می‌شود و از همین نوسانات برای اندازه‌گیری دقیق زمان استفاده می‌شود.

دانشمندان با شمارش تعداد نوسانات یا لرزش‌های اتم‌های سزیم (که دقیقاً ۹٬۱۹۲٬۶۳۱٬۷۷۰ بار در هر ثانیه اتفاق می‌افتد) می‌توانند طول یک ثانیه را به‌صورت کاملا دقیق تعیین کنند. در واقع، این تعداد نوسانِ ثابت، مبنای علمی برای تعریف رسمی و جهانی یک ثانیه است.

ساختن ساعت اتمی و تنظیم اولیه آن بخش ساده‌تر کار است. قسمت سخت‌تر این است که دانشمندان باید مطمئن شوند کوچک‌ترین عامل مزاحمی که بتواند روی نوسانات دقیق اتم‌های سزیم اثر بگذارد، وجود ندارد. حتی کوچک‌ترین نویز یا اختلال می‌تواند دقت ساعت را پایین بیاورد، بنابراین آن‌ها باید همه این عوامل را شناسایی و کنترل کنند تا ساعت کاملا دقیق کار کند.

عوامل مختلفی نظیر برهم‌کنش با اتم‌های دیگر، نشت ریزموج‌ها و تغییرات کوچک در میدان‌های الکترومغناطیسی ممکن است دقت ساعت اتمی را کاهش دهند. دانشمندان باید همه این موارد را کنترل کنند تا ساعت دقیق کار کند.

آن‌طور که لایوساینس می‌نویسد، تیم علمی از سال ۲۰۲۰ شروع به انجام تغییرات و بهبودهایی در ساعت کرد. این تغییرات چهار سال پس از آن انجام شد که ساعت فواره‌ای اول موسسه ملی فناوری و استانداردها (NIST-F1) به‌خاطر نیاز به تعمیر از کار افتاده بود. یکی از کارهایی که انجام شد، بازسازی کامل قسمت اصلی ساعت، یعنی حفره ریزموج بود.

وادیسلاو گرگینوف، نویسنده نخست مطالعه، توضیح می‌دهد که بررسی و ارزیابی دقیق ساعت‌های فواره‌ای مانند  NIST-F4  زمان‌بر است. او می‌گوید باید بسیار محتاط و دقیق باشیم و تمام جزئیات مربوط به ساعت را به خوبی بشناسیم تا مطمئن شویم به درستی کار می‌کند.

ساعت جدید با دقت بسیار بالایی ساخته شده است. عدم قطعیت سیستماتیک آن تنها (۲.۲×۱۰⁻¹⁶ ) است؛ یعنی ساعت به‌قدری دقت بالایی دارد که در مدت ۱۴۰ میلیون سال کمتر از یک ثانیه عقب می‌افتد.

تاخیری که در ساعت وجود دارد، به دلیل نویز یا اختلالاتی است که از ویژگی‌های تصادفی‌بودن اندازه‌گیری‌های کوانتومی ناشی می‌شود. دانشمندان می‌گویند این مشکل می‌تواند با استفاده از نوسان‌سازهای دقیق‌تر و بهبود روش‌های خنک‌سازی لیزرها کاهش یابد.

ساعت جدید NIST-F4 همزمان با نسخه‌ی قبلی خود، NIST-F3، فعالیت خواهد کرد، حدود ۹۰ درصد مواقع فعال است و در هر زمان معین، دست‌کم یکی از آن‌ها درحال کار خواهد بود. داده‌های هر دو ساعت به طور منظم به اداره بین‌المللی وزن‌ها و مقیاس‌ها ارسال می‌شود تا ساعت جهانی تنظیم و دقیق باقی بماند و زمان در سراسر دنیا به خوبی همگام باشد.