هرآنچه باید در مورد ساعت اتمی جدید ناسا بدانید

MacTavish · 28/8/19

در ساعت اتمی دیپ اسپیس ناسا از یک نوسان‌ساز کریستال کوارتز به همراه اتم‌ و یون‌های جیوه برای اندازه‌گیری فواصل دور با دقت بالا استفاده شده است.

ناسا به‌تازگی در تاریخ ۲۵ ژوئن (چهارم تیر) یک ساعت اتمی شگفت‌انگیز را سوار بر موشک فالکون هوی اسپیس‌ایکس به فضا ارسال کرد. محموله‌ی سازمان فضایی آمریکا به‌عنوان مأموریتی نمایشی درون مدار قرار گرفته است و قصد دارد نحوه‌ی اکتشاف فضا به‌دست انسان را متحول کند.

ساعت اتمی دیپ اسپیس (Deep Space Atomic Clock) که به‌دست آزمایشگاه پیش‌رانش جت (JPL) توسعه یافته، نسبت به ساعت‌های اتمی مورد استفاده روی زمین و همچنین نسخه‌هایی که هم‌اکنون روی ماهواره‌های مختلف نظیر انواع ارائه‌دهنده‌ی GPS نصب شده‌اند، مدلی ارتقایافته و آماده‌ی کار در فضا به‌شمار می‌آید.

ناسا در بیانیه‌ای گفت ساعت اتمی جدیدش ناوبری فضاپیماها به سمت اجرام دوردست نظر مریخ را خودکارتر می‌کند. دانشمندان امیدوار هستند با به‌کارگیری ساعت اتمی دیپ اسپیس، به دقت بالایی در تعیین موقعیت فضاپیما دست یابند. این مسئله به فضاپیما امکان خواهد داد تا متکی به خود و بدون برقراری ارتباط چندان با زمین، درون اعماق فضا سفر کند. به‌گفته‌ی ناسا، ساعت اتمی جدید، پیشرفتی بزرگ در نحوه‌ی ناوبری کنونی فضاپیماها رقم خواهد زد.

اما نحوه عملکرد ساعت اتمی دیپ اسپیس چگونه است؟ اخترشناسان درحال حاضر از ساعت‌ها برای ناوبری در فضا استفاده می‌کنند و بدین منظور سیگنالی را به فضاپیما می‌فرستند که به زمین بازگردانده می‌شود. زمانی‌که در رفت و برگشت این سیگنال سپری می‌شود، فاصله‌ی فضاپیما از زمین را به دانشمندان می‌گوید. از آنجا که سیگنال با سرعت نور سفر می‌کند؛ دانستن فاصله‌ی فضاپیما تنها به یک محاسبه‌ی ساده نیاز دارد. دانشمندان با ارسال سیگنال‌های متعدد در طول زمان، می‌توانند مسیر فضاپیما، یعنی محلی که در آن بود و نقطه‌ای که بدان خواهد رفت را محاسبه کنند.

اما به‌گفته‌ی ناسا، به‌منظور اطلاع از موقعیت فضاپیما با حاشیه‌ی خطای بسیار پایین، اخترشناسان به ساعت‌های بسیار دقیقی نیاز دارند که بتوانند تا میلیاردم ثانیه را اندازه‌گیری کنند. آن‌ها همچنین نیازمند ساعت‌هایی هستند که به‌شدت پایدار باشند. در اینجا، «پایداری» به نحوه‌ی اندازه‌گیری پیوسته‌ی یک واحد از زمان توسط ساعت اشاره دارد. ممکن است تصور کنید که ساعت‌ها همیشه طول یکسانی از زمان را به‌عنوان یک «ثانیه» اندازه می‌گیرند؛ اما ساعت‌ها تمایل دارند که کشیده شوند و به‌تدریج زمان‌های طولانی و طولانی‌تری را به‌عنوان یک ثانیه نشان دهند. اخترشناسان برای اندازه‌گیری موقعیت فضاپیما در فضای دوردست، نیاز به این دارند که ساعت‌های اتمی‌شان آنچنان پایدار باشند که دقت بسیار بالایشان را در طول روزها و هفته‌ها از دست ندهند.

ساعت‌های امروزی از جمله آن‌هایی که روی مچ دستمان بسته می‌شوند، تا انواع به‌کاررفته در ماهواره‌ها، اغلب زمان را با استفاده از نوسان‌ساز کریستال کوارتز نگه می‌دارند. به‌گفته‌ی ناسا، وقتی روی کریستال‌های کوارتز ولتاژ اعمال شود، در فرکانسی دقیق نوسان می‌کنند و نوسان‌سازهای ساخته‌شده با آن‌ها نیز از همین مزیت بهره می‌گیرند. نوسان‌ها یا ارتعاش‌ها همانند پاندول در ساعت‌های پاندول‌دار قدیمی عمل می‌کنند.

اما طبق استانداردهای ناوبری فضایی، ساعت‌های کریستال کوارتز به‌هیچ‌وجه پایداری بالایی ندارند. آن‌ها ممکن است پس از ۶ هفته به‌اندازه‌ی یک میلی‌ثانیه‌ی کامل‌ (یک‌هزارم ثانیه) خطا داشته باشند که این مقدار در سرعت نور به‌معنای ۳۰۰ کیلومتر اختلاف خواهد بود. به‌گفته‌ی ناسا این میزان بالا از خطا،‌ تأثیر بسیار بالایی در اندازه‌گیری یک فضاپیمای درحال‌حرکت با سرعت زیاد خواهد داشت.

ساعت‌های اتمی به‌منظور ایجاد پایداری بهتر، نوسان‌سازهای کریستال کوارتز را با انواع معینی از اتم‌ها ترکیب می‌کنند. ساعت اتمی دیپ اسپیس ناسا از اتم‌های جیوه استفاده خواهد کرد و خطای آن پس از چهار روز، کمتر یک نانوثانیه (یک‌میلیاردم ثانیه) و پس از ۱۰ سال کمتر از یک میکروثانیه (یک‌میلیونم ثانیه) خواهد بود. به‌گفته‌ی ناسا، ۱۰ میلیون سال طول می‌کشد تا خطای این ساعت به یک ثانیه‌ی کامل برسد.

ساعت‌های اتمی از مزیت ساختار اتم‌ها بهره می‌گیرند که ترکیبی از هسته شامل پروتون‌ها و نوترون‌هایی است که توسط الکترون‌ها احاطه شده‌اند. اتم‌های هر عنصر، ساختاری متمایز با تعداد متفاوت پروتون در هسته خود دارند. با اینکه تعداد الکترون‌های هر نوع اتم می‌تواند تغییر کند، الکترون‌ها سطوح مشخصی از انرژی را دراختیار دارند و تکان‌خوردن مقدار دقیق آن انرژی می‌تواند باعث برانگیختگی الکترون به سطوح بالاتر انرژی در اطراف هسته شود.

انرژی لازم برای این جهش برای هر عنصر منحصر‌به‌فرد است و با تمامی اتم‌های آن عنصر سازگار است. اریک بورت، فیزیکدان ساعت اتمی در آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا در بیانیه‌ای گفت:

این حقیقت که اختلاف انرژی بین این مدارها مقداری دقیق و ثابت است، مولفه‌ی اصلی در عملکرد ساعت‌های اتمی به حساب می‌آید. به همین دلیل ساعت‌های اتمی فراتر از سطح ساعت‌های مکانیکی عمل می‌کنند.

ساعت‌های اتمی در اصل می‌توانند خود را تصحیح کنند. در یک ساعت اتمی، فرکانس نوسان‌ساز کوارتز به فرکانسی تبدیل می‌شود که به مجموعه‌ای از اتم‌های یک عنصر ویژه اعمال شده است. اگر فرکانس صحیح باشد، موجب خواهد شد که بسیاری از الکترون‌های موجود در اتم‌ها به سطوح بالاتری از انرژی جهش کنند. اما اگر این‌گونه نباشد، جهش‌های کم‌تری از الکترون‌ها رخ می‌دهد. سپس ساعت مقدار خطای فرکانس نوسان‌ساز کواتز و مقدار لازم جهت تصحیح آن را درمی‌یابد. این اصلاح در ساعت اتمی دیپ اسپیس هر چند ثانیه محاسبه و روی نوسان‌ساز کوارتز اعمال می‌شود.

ویژگی‌های منحصربه‌فرد ساعت اتمی دیپ اسپیس به همین‌جا ختم نمی‌شود. این ساعت نه‌تنها از اتم‌های جیوه استفاده می‌کند، بلکه از یون‌های باردار جیوه بهره می‌گیرد.

از آنجا که یون‌ها، اتم‌هایی هستند که بار الکتریکی دارند، می‌توانند در یک تله الکترومغناطیسی به دام بیفتند و ازاین‌رو، اتم‌ها با دیواره‌های محفظه خلأ برهم‌کنش نمی‌کنند. یکی از مشکلات متداولی که با اتم‌های خنثی در ساعت‌های اتمی معمولی به وجود می‌آید، همین است. وقتی اتم‌های خنثی با دیواره‌های خلأ برهم‌کنش می‌کنند، تغییرات محیطی از قبیل دما می‌توانند تغییراتی در خود اتم‌ها ایجاد کنند و به نوبه خود باعث خطا در فرکانس شوند.

به‌گفته‌ی ناسا، ساعت اتمی دیپ اسپیس در معرض این‌گونه تغییرات محیطی قرار نمی‌گیرد و ۵۰ برابر پایدارتر از ساعت‌های نصب‌شده بر ماهواره‌های GPS است. اکنون که ساعت اتمی به فضا پرتاب شده است، دانشمندان در طول روزها و ماه‌های پیش‌رو، به بررسی و آزمایش دقت ساعت در مدار خواهند پرداخت.