ساخت ساعتی از جنس سنگ

فیزیكدانی به نام هولگر مولر با بهره‌گیری از این واقعیت كه هر ماده در طبیعت می‌تواند هم اجزای فیزیكی و هم موج داشته باشد، توانسته زمان را با شمارش نوسانات موج ماده تعیین كند.

در پژوهشی كه بتازگی انتشار یافته، مولر همراه جمعی دیگر از دانشمندان دانشگاه بركلی توانست روشی برای تعیین زمان از طریق استفاده از موج ماده اتم سزیم بیابد.

وی این روش را ساعت كامپتون نامیده، زیرا این روش بر مبنای فركانس كامپتون موج ماده استوار است.

با این كه دقت این ساعت جدید هنوز صد میلیون بار كمتر از بهترین ساعت‌های اتمی امروزی است كه از یون‌های آلومینیم استفاده می‌كنند، اما ایجاد مجموعه‌ای از تغییرات و بهبود آن می‌تواند دقت این ساعت جدید را به ساعت‌های اتمی امروزی نزدیك كند.

این نوآوری نظرات بسیاری از كارشناسان را در پی داشته است، زیرا این كار به نوعی با یكی از اساسی‌ترین مفاهیم فیزیك كوانتومی در ارتباط است. برخی در این میان بر این باورند كه ارائه بحث‌های بیشتر در این خصوص می‌تواند به درك بهتر از فیزیك كوانتومی كمك كند.

افزون بر این كه مولر از این روش برای اندازه‌گیری زمان استفاده كرد، با اندكی تغییر در آن توانست روشی برای تعیین میزان جرم ماده نیز به دست آورد.

امروزه مبنای جرم ماده، یك استوانه از جنس پلاتین ـ ایریدیوم است كه وزن آن دقیقا یك كیلوگرم است و در محفظه‌ای ویژه در مركزی در فرانسه نگهداری می‌شود و نسخه‌هایی دقیقا مشابه آن نیز به تمام نقاط دنیا فرستاده شده است.

استفاده از روش موج ماده مولر می‌تواند راهی نوین برای پژوهشگران برای ایجاد مبنای كیلوگرم فراهم سازد.

ایده عجیب و غریب برای زمان سنجی

لوییس دی بروگلی برای اولین بار ایده امكان مشاهده ماده به صورت یك موج را بیان كرد و به علت همین ایده بود كه جایزه نوبل فیزیك سال 1929 را به خود اختصاص داد.

او از نظریه معروف اینشتین برای تبدیل ماده به جرم (E=mc2) استفاده كرد و آن را با نظریه پلانك كه هر انرژی یك فركانس خاص دارد، تركیب كرد و در نهایت به این نتیجه رسید كه هر ماده‌ای می‌تواند خاصیت موجی نیز داشته باشد.

اما استفاده از یك ماده به عنوان وسیله تعیین زمان تا حدی دور از ذهن به نظر می‌رسید، زیرا فركانس موج كه آن را فركانس كامپتون یا دی بروگلی می‌نامند ممكن است قابل مشاهده نباشد. حتی اگر هم این فركانس قابل مشاهده باشد، شاید دستگاه‌های اندازه‌گیری نتوانند آن را اندازه‌گیری كنند.

با این حال دو سال قبل مولر توانست شیوه‌ای برای اندازه‌گیری امواج ماده بیابد كه یكی از اصول بیان شده توسط اینشتین (یعنی كند شدن زمان در میدان گرانشی) را اثبات می‌كند.

او برای این كار نوعی تداخل‌سنج اتمی طراحی كرد كه اتم‌ها را به عنوان موج در نظر می‌گرفت و تداخل آن را ارزیابی می‌كرد.

همین شیوه بود كه ایده استفاده از موج ماده به عنوان ساعت را به ذهن او جاری ساخت. خودش در این باره می‌گوید: «ساعت‌های آونگی قدیمی یك آونگ و یك ساختار فیزیكی دارد كه تعداد نوسانات آونگ را می‌شمارد. شاید ما هم به چیزی نیاز داریم كه حركت نوسانی داشته باشد و با استفاده از یك ساختار آونگی بتواند زمان را اندازه‌گیری كند. اما هیچ راهی برای ایجاد ساختار زمان‌سنجی برای موج ماده وجود ندارد، زیرا فركانس نوسان آنها ده میلیارد بار بالاتر از هر نوع نور مرئی است.»

با این حال یك سال بعد او به این نتیجه رسید كه می‌توان با تركیب دو شیوه شناخته شده در این زمینه چنین ساختاری را ساخت و به این وسیله توانست نشان دهد فركانس كامپتون یك ماده می‌تواند به عنوان مبنایی برای یك ساعت به كار گرفته شود.

اصول نسبیت بیان می‌كند زمان برای یك شیء در حال حركت، كندتر می‌گذرد. به همین دلیل است كه اگر فردی به ستاره‌ای دوردست مسافرت كند و بازگردد از برادر یا خواهر دوقلویش كه در زمین مانده‌اند، جوان‌تر خواهد بود. این پدیده در فیزیك نوین با نام پارادوكس دوقلوها شناخته می‌شود.

به همین دلیل است كه یك اتم سزیم كه حركت نوسانی دارد جوان‌تر از اتم سزیمی است كه ساكن مانده است.

در نتیجه، موج ماده سزیم در حال حركت نوسان كمتری خواهد داشت. این مساله به كاهش صد هزار بار نوسان در هر ده میلیون میلیارد میلیارد نوسان می‌انجامد كه البته قابل اندازه‌گیری است.

مولر در آزمایشگاه نشان داد می‌توان این تفاوت را با ارزیابی تداخل سزیم در حال حركت و سزیم ثابت و با استفاده از لیزر اندازه‌گیری كرد.

این ساعت دقتی حدود هفت در میلیارد یا به كلامی دیگر، یك ثانیه خطا در هشت سال دارد. با این حال با كار بیشتر روی این ساعت می‌توان این دقت را بهبود بخشید.

این شیوه نوین بتازگی در كنفرانس بین‌المللی وزن و اندازه‌گیری مطرح شده و دانشمندان امیدوارند بتوانند این شیوه را به عنوان معیاری استاندارد و بین‌المللی برای اندازه‌‌گیری زمان و وزن به جهان عرضه كنند.

این گروه پژوهشی امیدوار است در آینده به سراغ ذرات ریزتری از جمله الكترون‌ها و حتی پوزیترون‌ها رفته و حتی به شیوه‌ای برای ساخت ساعت پادماده نیز دست یابند.

منبع:spacedaily