وقتی که برق می رود و دوباره می آید، یا اینکه باتری ساعت تان تمام شده و آن را عوض می کنید، از کجا می دانید که ساعت تان را روی چه زمانی تنظیم کنید؟ اصلا از کجا می دانید که گذر زمان چگونه بوده است؟ یا اینکه چگونه می توان گذر دقیق زمان را بدون اشتباه اندازه گرفت؟ در حالی که ساعت های ما مرتبا عقب مانده یا جلو می روند؟ اصلا چطور می توانیم این طور دقیق برای تحویل سال به ساعت مان اعتماد کنیم؟! :) در ایالات متحده زمان استاندارد بر اساس ساعت مرجع رصدخانه نیروی دریایی (USNO) که مرجع رسمی زمان برای وزارت دفاع است، تنظیم می شود. و تاثیر این مکانیسم در تمامی ساعت های مچی، زنگ دار، کامپیوترها، منشی های تلفنی خودکار و برنامه های زمان بندی این کشور قابل مشاهده است. و به همین ترتیب در تمام دنیا ساعت های مرجع این چنینی برای تنظیم زمان وجود دارند. اما این ساعت ها چقدر دقیق اند و از چه نوعی هستند که این گونه با اعتماد کامل تمام محاسبات زمان دنیا را بر دوش آنها گذارده اند؟ جواب کوتاه «ساعت اتمی» است و برای جواب کامل هم پیشنهاد می کنم در ادامه مطلب با نارنجی همراه باشید.

آیا ساعت های اتمی رادیواکتیو هستند؟

ساعت های اتمی بهتر از هر ساعت دیگری زمان را نگه می دارند. آنها حتی بهتر از چرخش زمین و حرکت ستارگان حساب گذر زمان را دارند. بدون ساعت های اتمی، مسیریابی با GPS تقریبا غیرممکن است، اینترنت ممکن است همگام نشده و محتوای منطبقی نداشته باشد ، و حتی تعیین موقعیت سیاره ها برای سفینه های فضایی و ربات های کاوشکر به طور دقیق امکان پذیر نگردد. ساعت های اتمی رادیواکتیو نیستند. آنها دارای چرخه فروپاشی اتمی نیستند. و البته همانند ساعت های معمولی پاندول نوسانگر یا فنر ارتجاعی هم ندارند. بزرگترین تفاوت میان ساعت اتاق شما و یک ساعت اتمی این است که نوسان در یک ساعت اتمی، میان هسته یک اتم و الکترون های اطراف آن اتفاق می افتد. این نوسان دقیقا همانند چرخ بالانس و فنر مویی ساعت کوکی نیست، اما در واقع هر دو این ساعت ها از شمارش نوسان ها برای اندازه گیری زمان استفاده می کنند. فرکانس های نوسان درون اتم توسط حجم هسته و جاذبه الکترواستاتیک میان قطب مثبت هسته و ابر الکترونی اطراف آن تعیین می شوند.

انواع ساعت های اتمی

امروزه انواع مختلی از ساعت های اتمی تولید شده اند که البته همگی بر پایه یک قانون بنا گردیده اند. در این میان تفاوت اصلی در عنصر مورد استفاده و شیوه آشکارسازی هنگام تغییر سطح انرژی است. انواع مختلف ساعت اتمی را می توان شامل این گروه ها دانست:
ساعت های اتمی سزیمی: که یک پروتو از اتم های سزیم را به خدمت گرفته اند. در این ساعت اتم های سزیم مختلف با سطوح متفاوت انرژی توسط میدان مغناطیسی از یکدیگر جدا می شوند. 

ساعت های اتمی هیدروژنی: که اتم های هیدروژن با سطح خاصی از انرژی را درون محفظه ای با دیوارهایی از فلز ویژه نگهداری می کنند، تا اتم ها نتوانند سطح انرژی بالای شان را با سرعت زیادی از دست دهند. 

ساعت های اتمی رادیومی: که ساده ترین و فشرده ترین نوع هستند و از یک سلول شیشه ای گاز رادیوم تشکیل شده اند. تغییرات در میزان جذب نور در رادیوم با فرکانس نوری متفاوت هنگامی که توسط مایکروویو با فرکانس صحیح احاطه شده باشد، باعث کارکرد ساعت می شود. 

دقیق ترین ساعت های اتمی امروزه از اتم سزیوم و میدان های مغناطیسی معمولی به همراه آشکارسازها استفاده می کنند. علاوه بر این، اتم های سزیم توسط اشعه لیزر تحت تاثیر واقع نمی شوند. و اثر دوپلر تاثیر بسیار کمی روی آنها دارد.

ساعت اتمی چه زمانی اختراع شد؟

در سال ۱۹۴۵ پروفسور ایسیدور رابی، فیزیکدان دانشگاه کلمبیا پیشنهاد کرد می توان با استفاده از تکنیکی که وی در سال ۱۹۳۰ آن را توسعه داده و «رزنانس مغناطیسی شعاع اتمی» نامیده بود، یک ساعت ساخت. در سال ۱۹۴۹ اداره استاندارد اعلام کرد اولین ساعت اتمی جهان را راه اندازی کرده که از ملکول آمونیاک به عنوان منبع نوسان بهره می برد. و در سال ۱۹۵۲ این اداره اعلام کرد اولین ساعت اتمی به اتم های سزیم به عنوان منبع ارتعاش مجهز شده است: NBS-1 

در ۱۹۵۵ لابراتوار ملی فیزیک انگلیس اولین ساعت پرتو سزیم را تولید کرد. آنها از آن به عنوان مرجع درجه بندی و کالیبراسیون استفاده می کردند. طی یک دهه بعدی، انواع پیشرفته تری از ساعت های اتمی خلق شدند. در ۱۹۶۷، سیزدهمین کنفرانس اوزان و مقیاس ها، مرجع اندازه گیری SI ثانیه را بر حسب ارتعاش اتم سزیم تعریف کرد. از این پس دیگر سیستم وقت نگهدار جهانی بر اساس ستاره شناسی و نجوم نبود. NBS-4 به عنوان پایدارترین ساعت سزیمی دنیا در سال ۱۹۶۸ کامل شد و تا دهه ۱۹۹۰ به عنوان بخشی از سیستم زمانی NIST مورد استفاده قرار می گرفت. 

در سال ۱۹۹۹ ساعت NIST-F1 با ضریب خطای یک ثانیه در بیست میلیون سال شروع به کار کرد و تبدیل به یکی از دقیق ترین ساعت های جهان شد. و البته این تنها تاریخچه ساعت های ایالات متحده است و دیگر نقاط دنیا هم همپای این کشور به ساخت ساعت های اتمی بسیار دقیق مشغول هستند .

زمان اتمی چگونه اندازه گیری می شود؟

فرکانس دقیق رزونانس سزیم ویژه مورد استفاده در ساعت های اتمی طبق یک توافق بین المللی 9,192,631,770 هرتز است. و هنگامی اعداد را تقسیم کنیم، خروجی دقیقا یک هرتز یا یک سیکل در ثانیه خواهد بود. 

دقت طولانی مدت قابل دستیابی با ساعت های اتمی سزیمی مدرن (تقریبا در تمامی آنها)، تقریبا در حد یک ثانیه در یک میلیون سال است. ساعت های اتمی هیدروژنی البته دقت کوتاه مدت (یک هفته ای) بسیار بهتری داشته و حدودا ۱۰ مرتبه دقیق تر هستند. در نتیجه اندازه گیری زمان با ساعت های اتمی دقت کار را حدود یک میلیون بار نسبت به روش های قدیمی استفاده از تکنیک های نجومی بهبود بخشیده است. 

در آمریکا، اولین ساعت های اتمی تجاری را در ماساچوست با استفاده از سزیم تولید کردند. امروزه هم این ساعت ها توسط شرکت های گوناگونی در سراسر دنیا تولید می شوند که از مشهورترین آنها می توان به HP و FTS اشاره کرد. و البته تکنولوژی جدید دائما در حال بهبود کارایی این ساعت ها است. بسیاری از ساعت های اتمی سزیمی آزمایشگاه های دقیق هزاران بار بهتر از نمونه های تجاری هستند. 

اگر به خاطر داشته باشید پیش از این کاربرد ساعت اتمی در ماهواره های جی پی اس و سرورهای اسپنر گوگل را مثال زدیم. و البته حتی کامپیوتر شما هم از طریق سرور مایکروسافت، خود را با ساعت های اتمی دنیا تنظیم می کند. شما چه کاربردهایی را برای این زمان سنجی دقیق متصور هستنید؟