عنصر فراموش شده می تواند زمان را باز تعریف کند
در یک ثانیه اتفاقات زیادی می تواند رخ بدهد؛ می توانید با غریبه ای دیدار کنید؛ انگشتان تان را تکان دهید؛ عاشق شوید و بخوابید. اما واقعا یک ثانیه چیست؟ آیا همان قدر که تصور می کنیم، دقیق است؟
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :
تاریخ : يکشنبه 1397/04/31 ساعت 09:39
زینب شاه مرادی - مرکز یادگیری تبیان
به گزارش بیگ بنگ، در حال حاضر، دقیق ترین ساعت هایی که برای تعیین زمان جهانی استفاده می شوند، خطایی در حدود ۱ ثانیه در هر ۳۰۰ میلیون سال دارند؛ پس ساعتی که در عصر دایناسورها شروع به تیک تاک زدن کرد، امروز حتی یک ثانیه هم تاخیر نداشته است. اما دانشمندان بر این باورند که ما می توانیم حتی عملکرد بهتری داشته باشیم. پس آنها به دنبال عنصر فراموش شده‌ای هستند که به ندرت در زمین یافت می شود و در قسمت پایین جدول تناوبی عناصر خاک خورده است.
چرا یک ۱ ثانیه، ۱ ثانیه طول می کشد؟
در دوران قدیم، یک ثانیه به عنوان کسری (۱٫۸۶۴۰۰) از روز متوسط خورشیدی تعریف می شد؛ چرخش ۲۴ ساعته زمین به دور محور آن. اما چرخش زمین می تواند قدری فرق داشته باشد. پس دانشمندان تصمیم گرفتند دیگر از آسمان برای تنظیم ساعت استفاده نکنند و مقیاس های کوچک تری را در نظر گرفتند؛ مثلا تا سطح اتم ها و اجزای تشکیل دهنده نامرئی ماده. در سال ۱۹۶۷، کمیته بین‌المللی وزن و اندازه گیری، ثانیه را بعنوان میزان زمانی که طول می کشد تا اتم سزیوم انرژی کافی را برای برانگیخته شدن جذب کند، تعریف کردند. برای این که چنین اتفاقی روی بیفتد، اتم باید دستخوش ۹۱۹۲۶۳۱۷۷۰ چرخه تابش ریزموج قرار بگیرد.
محققانی به نام های «جان پی. لو»، «رابرت ای. درولینگر» و مدیر پروژه «دیوید جی. گلیز» یک ساعت اتم سزیومی به نام NIST-7 را ساختند. این ساعت که در موسسه ملی استاندارد و فناوری قرار دارد، مسئول تعیین زمان در آمریکا از سال ۱۹۹۳ تا ۱۹۹۹ بود، اما حالا ساعت های اتم سزیومی ِ دقیق‌تری جایگزین آن شده است.
اگرچه شاید آن عدد تصادفی به نظر آید، اما در اثر اندازه گیری فرکانس ریزموج های لازم برای برانگیختن اتم‌های سزیوم در میانگین تعریف اولیه از ۱ ثانیه بدست آمده است. این اندازه گیری ها بیش از سه سال به طول انجامید. در حال حاضر، صدها ساعت اتمی سزیومی در تعیین زمان و کنترل جی پی اس نقش دارند. اما در دهه گذشته، نسل دیگری از ساعت های اتمی به نام ساعت های نوری ظهور پیدا کرد که ۱۰۰ برابر دقیق تر از نوع سزیومی هستند. ساعت‌های جدید دقیقا به شیوه ساعت های سزیومی عمل می کنند، با این تفاوت که آنها از اتم‌هایی مثل آلومینیوم یا ایتربیوم استفاده می کنند؛ اتم‌هایی که با فرکانس‌های بالاتر نور مرئی برانگیخته می شوند، نَه ریزموج‌ها. این فرکانس بالا، نقاط داده بیشتری را به تعریف «یک ثانیه» می افزاید و اندازه‌گیری را دقیق‌تر می کند.
«مورای بارت» استادیار فیزیک در دانشگاه ملی سنگاپور و نویسنده ارشد مقاله جدید گفت: «برای درک این موضوع، انواع مختلفی از ساعت‌ها را بعنوان یک جفت خط‌کش در نظر بگیرید. اگر خط‌کش قدیمی‌تر سزیومی یک خط را که ۲۰ سانتی متر طول دارد اندازه‌گیری کند، خط‌کش نوری دقیق می تواند آن خط را ۲۰۰ میلی‌متر اندازه بگیرد. اگرچه ساعت‌های نوری دقیق‌ترند، اما اینکه بتوان آنها را برای کار کردن به مدت طولانی آماده کرد و زمینه را برای پایداری آن ها در محیط‌هایشان فراهم آورد، کار دشواری است. دمای اتاق می تواند میدان‌های الکترومغناطیسی فعال در اتم‌ها را تغییر دهد. پس ساعت‌های سزیومی به لحاظ اجرایی قابل اعتماد تر از ساعت‌های نوری هستند.»
بارت و تیمش در مطالعه جدید خود دریافتند که یون لوتتیوم در مقایسه با سایر عناصر استفاده شده برای ساعت های نوری، حساسیت کمتری به تغییرات در دمای محیطی دارد. همین عامل آن ها را به گزینه ای قوی برای ساعت نگهدار ارشد تبدیل می کند. اتم‌های لوتتیوم می توانند مشکل دیگری را که بر اندازه گیری زمان تاثیر می گذارد، جبران کنند. چون اتم های استفاده شده در این ساعت‌ها باردار اند، اندکی حرکت به جلو و عقب در واکنش به میدان‌های الکترومغناطیسی حاصل از امواج در آن ها دیده می شود و این می تواند اندازه گیری زمان را تحریف کند. دانشمندان این حرکت رو به جلو و عقب سریع را «جابجایی ریزحرکتی» می نامند.
چون دانشمندان باید این جابجایی را جبران کنند، ساخت ساعت‌های اتمی با بیش از یک یون کار بسیار دشواری است که می تواند چنین ساعت هایی را کاربردی تر کند. اما تیم تحقیق دریافت که می تواند از یک ویژگی طبیعی در نوع خاصی از یون لوتتیوم استفاده کند تا این جابجایی‌ها را از بین ببرد. ولی این کار مشکلی را به همراه دارد: آن اتم‌ها نسبت به دمای اتاق خیلی حساس می شوند. پس اتم لوتتیوم شاید چندان تاثیرگذار نباشد.
«ژروم لودویک» فیزیکدان در رصدخانه پاریس گفت: «اما این کار یک گونه اتمی دیگری را به فهرست بلندبالای نامزدهای وقت نگهدار می افزاید. اگرچه لوتتیوم خیلی نوید بخش جلوه می کند، اما نباید برای تعریف مجدد ثانیه عجله کرد زیرا ساعت‌های سزیومی در رساندن به موقع ما به مقصد مورد نظرمان عملکرد خوبی دارند. اما ساعت‌های نوری بسیار دقیق شاید کاربردهای تازه‌ای را به ارمغان بیاورند؛ کاربردهایی که امکان حصول آن ها با فناوری های فعلی وجود ندارد.»
برای مثال، بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، ساعت‌ها به مکان قرارگیری‌شان در جهان حساس هستند، زیرا گرانش؛ زمان را تحریف می کند. ساعت‌های اتمی در زمین نمی توانند تحریف زمان را که در اثر گرانش ِ زمین اتفاق می افتد، تشخیص بدهند. اما اگر محققان بتوانند ساعت‌های نوری بسیار دقیقی در سرتاسر جهان قرار دهند، می توانند میدان گرانشی سیاره ما را ترسیم نمایند.
مطالب مرتبط:
پارادوکس‌های زمان !
رمزگشایی فضا و زمان در مغز انسان
چرا گاهی زمان پرواز می کند؟
منبع: http://bigbangpage.com
به گزارش بیگ بنگ، در حال حاضر، دقیق ترین ساعت هایی که برای تعیین زمان جهانی استفاده می شوند، خطایی در حدود ۱ ثانیه در هر ۳۰۰ میلیون سال دارند؛ پس ساعتی که در عصر دایناسورها شروع به تیک تاک زدن کرد، امروز حتی یک ثانیه هم تاخیر نداشته است. اما دانشمندان بر این باورند که ما می توانیم حتی عملکرد بهتری داشته باشیم. پس آنها به دنبال عنصر فراموش شده‌ای هستند که به ندرت در زمین یافت می شود و در قسمت پایین جدول تناوبی عناصر خاک خورده است.
چرا یک ۱ ثانیه، ۱ ثانیه طول می کشد؟
در دوران قدیم، یک ثانیه به عنوان کسری (۱٫۸۶۴۰۰) از روز متوسط خورشیدی تعریف می شد؛ چرخش ۲۴ ساعته زمین به دور محور آن. اما چرخش زمین می تواند قدری فرق داشته باشد. پس دانشمندان تصمیم گرفتند دیگر از آسمان برای تنظیم ساعت استفاده نکنند و مقیاس های کوچک تری را در نظر گرفتند؛ مثلا تا سطح اتم ها و اجزای تشکیل دهنده نامرئی ماده. در سال ۱۹۶۷، کمیته بین‌المللی وزن و اندازه گیری، ثانیه را بعنوان میزان زمانی که طول می کشد تا اتم سزیوم انرژی کافی را برای برانگیخته شدن جذب کند، تعریف کردند. برای این که چنین اتفاقی روی بیفتد، اتم باید دستخوش ۹۱۹۲۶۳۱۷۷۰ چرخه تابش ریزموج قرار بگیرد.
محققانی به نام های «جان پی. لو»، «رابرت ای. درولینگر» و مدیر پروژه «دیوید جی. گلیز» یک ساعت اتم سزیومی به نام NIST-7 را ساختند. این ساعت که در موسسه ملی استاندارد و فناوری قرار دارد، مسئول تعیین زمان در آمریکا از سال ۱۹۹۳ تا ۱۹۹۹ بود، اما حالا ساعت های اتم سزیومی ِ دقیق‌تری جایگزین آن شده است.
اگرچه شاید آن عدد تصادفی به نظر آید، اما در اثر اندازه گیری فرکانس ریزموج های لازم برای برانگیختن اتم‌های سزیوم در میانگین تعریف اولیه از ۱ ثانیه بدست آمده است. این اندازه گیری ها بیش از سه سال به طول انجامید. در حال حاضر، صدها ساعت اتمی سزیومی در تعیین زمان و کنترل جی پی اس نقش دارند. اما در دهه گذشته، نسل دیگری از ساعت های اتمی به نام ساعت های نوری ظهور پیدا کرد که ۱۰۰ برابر دقیق تر از نوع سزیومی هستند. ساعت‌های جدید دقیقا به شیوه ساعت های سزیومی عمل می کنند، با این تفاوت که آنها از اتم‌هایی مثل آلومینیوم یا ایتربیوم استفاده می کنند؛ اتم‌هایی که با فرکانس‌های بالاتر نور مرئی برانگیخته می شوند، نَه ریزموج‌ها. این فرکانس بالا، نقاط داده بیشتری را به تعریف «یک ثانیه» می افزاید و اندازه‌گیری را دقیق‌تر می کند.
«مورای بارت» استادیار فیزیک در دانشگاه ملی سنگاپور و نویسنده ارشد مقاله جدید گفت: «برای درک این موضوع، انواع مختلفی از ساعت‌ها را بعنوان یک جفت خط‌کش در نظر بگیرید. اگر خط‌کش قدیمی‌تر سزیومی یک خط را که ۲۰ سانتی متر طول دارد اندازه‌گیری کند، خط‌کش نوری دقیق می تواند آن خط را ۲۰۰ میلی‌متر اندازه بگیرد. اگرچه ساعت‌های نوری دقیق‌ترند، اما اینکه بتوان آنها را برای کار کردن به مدت طولانی آماده کرد و زمینه را برای پایداری آن ها در محیط‌هایشان فراهم آورد، کار دشواری است. دمای اتاق می تواند میدان‌های الکترومغناطیسی فعال در اتم‌ها را تغییر دهد. پس ساعت‌های سزیومی به لحاظ اجرایی قابل اعتماد تر از ساعت‌های نوری هستند.»
بارت و تیمش در مطالعه جدید خود دریافتند که یون لوتتیوم در مقایسه با سایر عناصر استفاده شده برای ساعت های نوری، حساسیت کمتری به تغییرات در دمای محیطی دارد. همین عامل آن ها را به گزینه ای قوی برای ساعت نگهدار ارشد تبدیل می کند. اتم‌های لوتتیوم می توانند مشکل دیگری را که بر اندازه گیری زمان تاثیر می گذارد، جبران کنند. چون اتم های استفاده شده در این ساعت‌ها باردار اند، اندکی حرکت به جلو و عقب در واکنش به میدان‌های الکترومغناطیسی حاصل از امواج در آن ها دیده می شود و این می تواند اندازه گیری زمان را تحریف کند. دانشمندان این حرکت رو به جلو و عقب سریع را «جابجایی ریزحرکتی» می نامند.
چون دانشمندان باید این جابجایی را جبران کنند، ساخت ساعت‌های اتمی با بیش از یک یون کار بسیار دشواری است که می تواند چنین ساعت هایی را کاربردی تر کند. اما تیم تحقیق دریافت که می تواند از یک ویژگی طبیعی در نوع خاصی از یون لوتتیوم استفاده کند تا این جابجایی‌ها را از بین ببرد. ولی این کار مشکلی را به همراه دارد: آن اتم‌ها نسبت به دمای اتاق خیلی حساس می شوند. پس اتم لوتتیوم شاید چندان تاثیرگذار نباشد.
«ژروم لودویک» فیزیکدان در رصدخانه پاریس گفت: «اما این کار یک گونه اتمی دیگری را به فهرست بلندبالای نامزدهای وقت نگهدار می افزاید. اگرچه لوتتیوم خیلی نوید بخش جلوه می کند، اما نباید برای تعریف مجدد ثانیه عجله کرد زیرا ساعت‌های سزیومی در رساندن به موقع ما به مقصد مورد نظرمان عملکرد خوبی دارند. اما ساعت‌های نوری بسیار دقیق شاید کاربردهای تازه‌ای را به ارمغان بیاورند؛ کاربردهایی که امکان حصول آن ها با فناوری های فعلی وجود ندارد.»
برای مثال، بر اساس نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین، ساعت‌ها به مکان قرارگیری‌شان در جهان حساس هستند، زیرا گرانش؛ زمان را تحریف می کند. ساعت‌های اتمی در زمین نمی توانند تحریف زمان را که در اثر گرانش ِ زمین اتفاق می افتد، تشخیص بدهند. اما اگر محققان بتوانند ساعت‌های نوری بسیار دقیقی در سرتاسر جهان قرار دهند، می توانند میدان گرانشی سیاره ما را ترسیم نمایند.
مطالب مرتبط:
پارادوکس‌های زمان !
رمزگشایی فضا و زمان در مغز انسان
چرا گاهی زمان پرواز می کند؟
منبع: http://bigbangpage.com
