ساعت اتمی گونهای از ساعت است که فرکانس تشدید استاندارد اتمی را به عنوان عنصر نگهداری زمان به کار میگیرد. این ساعتها دقیقترین ساعت و استاندارد فرکانسی بسامد شناخته شدهاند و به عنوان استانداردهای اولیه برای سرویس جهانی پخش زمان، برای کنترل فرکانس پخش برنامههای تلویزیونی و سیستمهای موقعیت موقعیتیاب جهانی همانند جی پی اس به کار میروند. ساعتهای اتمی از پرتو افشانی هستهای استفاده نمیکنند، بلکه از سیگنالهای دقیق مایکروویو استفاده میکنند. سیگنالهای مذکور هنگامی تولید میشوند که الکترونها در اتمها سطح انرژی خود را از سطحی به سطحی دیگر دگرگون میشود و در طی انتقال بین چنین حالتهایی آنها با فرکانس بسیار خاصی از تابش الکترومغناطیسی دارند. از این پدیده سیستم بینالمللی یکاها (SI) به عنوان مبنایی برای تعریف از یک ثانیه استفاده میکند.
امروزه دقیقترین ساعت اتمی جهان است که به ازای هر ۳۰۰ میلیون سال، تنها ۱ ثانیه خطا دارد.
ساعت اتمی از هر نوع ساعت دیگری در بازار دقیقتر است و دارای همان تکنولوژی است که ناسا برای شمارش معکوس خود استفاده میکند. ساعت اتمی همان اندازه دقت را ارائه میدهد.
زمانسنج اتمی چیست؟
ساعت اتمی احتمالاً برای شما جالب به نظر میرسد اما حالا میخواهید بدانید «چه چیزی باعث میشود که زمانسنج اتمی انقدر دقیق باشد؟ توضیح علمی پشت زمانسنجهای اتمی به طور قابل توجهی پیچیده است و به طور مناسب نمیتوان آن را توضیح داد. با این حال به طور ساده میتوان گفت زمانسنج اتمی، طول مدت یک ثانیه را با اندازهگیری تعداد نوسانات یک اتم سزیم-۱۳۳ تعیین میکند. تعداد نوسانات سزیم که در یک ثانیه رخ میدهد ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ است. بله درست متوجه شدید، ۹ میلیارد!
به طور خاص آنچه مورد اندازهگیری قرار میگیرد انتقال (نوسان) الکترونها بین سطوح انرژی است. این امر با مشاهدۀ سیگنالهای ریزموجی صادرشده توسط الکترونها در طول این انتقال اندازهگیری میشود. از آنجا که اندازهگیری سوژههایی که آهستهتر حرکت میکنند آسانتر است و اتمها در دمای پایین آهستهتر حرکت میکنند، دقیقترین زمانسنجهای اتمی اتمها را تا حد صفر خنک میکنند.
تخمین زده میشود که دقیقترین ساعت در هر ۱۵ میلیارد سال یک ثانیه خطا دارد و البته کسی هم اینقدر عمر نکرده تا این خطا را اندازهگیری کند. پس ساعتهای اتمی از هر ساعت دیگری در بازار دقیقتر هستند. با این حال چند نکتۀ قابل ذکر وجود دارد.
ساعتهای اتمی چطور کار میکنند؟
واضح است که نمیتوانید ماشینی را دور مچ خود بیاندازید که نوسانات اتم را اندازهگیری میکند. در مقابل، ساعت شما سیگنالی را با یک زمانسنج اتمی حفظ میکند. این زمانسنج اتمی در آمریکا در شهر فورت کالینز ایالت کلرادو قرار دارد و یکی از دقیقترین زمانسنجهای جهان است. موسسۀ ملی تکنولوژی و استاندارد این زمانسنج را مدیریت میکند. ساعتهای اتمی در دیگر کشورها به زمانسنجهای اتمی دیگر متصل هستند.
ساعتهای اتمی آمریکایی به گونهای برنامهریزی شدهاند تا حداقل یکبار در روز، سیگنال رادیوی ۶۰ کیلوهرتز را از زمانسنج فورت کالینز جستجو کنند، که میتواند در محدودۀ ۱۸۶۴ مایل پخش شود. ساعت اتمی این سیگنال را دریافت و رمزگشایی میکند تا دقت خود را حفظ کند. ساعت دارای تماسی مستمر با زمانسنج اتمی نیست، زیرا ۲۴ ساعت زمان زیادی نیست و ساعت دچار خطای قابل توجه نمیشود.
آیا ساعتهای اتمی همیشه صحیح هستند؟
ساعتهای اتمی بدون شک ابزارهای شگفتانگیز فناوری بوده اما خطاناپذیر نیستند. برای اینکه یک ساعت اتمی همانطور که طراحی شده است عمل کند، باید سیگنال ساعت اتمی را دریافت کند و دو عامل میتواند منجر به قطع این اتصال شود.
اولین عامل فاصله است. اگر ساعت خارج از محدودۀ پخش زمانسنج اتمی حرکت کند، نمیتواند با آن هماهنگ شود. متاسفانه اکثر ساعتهای ساخته شده برای ایالات متحده نمیتوانند با زمانسنجهای اتمی دیگر هماهنگ شوند زیرا با فرکانس متفاوتی انتقال میدهند. این امر احتمالاً در آینده تغییر خواهد کرد، اما بیشتر ساعتهای اتمی در حال حاضر از نظر منطقهای خاص منطقۀ مربوط به خود هستند.
عامل دیگری که بر ساعت اتمی تاثیر میگذارد اختلال در سیگنال است. سیگنالهای رادیویی میتوانند به بیشتر سطوح و موانع نفوذ کنند و به همین دلیل است که بسیار مفید هستند، اما برخی از عناصر میتوانند به طور کامل سیگنال را مختل یا مسدود کنند.
برخی فلزات به ویژه آنهایی که برای گاوصندوق یا ساختمانهای تقویتشده استفاده میشوند، سیگنالهای رادیویی را مختل میکنند. همچنین سایر سیگنالهای رادیویی یا تجهیزات الکترونیکی میتوانند اختلال ایجاد کنند، بنابراین بسیاری از ساعتها طوری برنامهریزی میشوند که در شب که تداخل سیگنال کمتری وجود دارد تنظیم شوند.
با این وجود، میزان اختلالی که یک ساعت اتمی تجربه میکند به طور کلی ناچیز است و بعید است که انسان متوجه آن شود. حتی اگر ساعت به مدت یک هفته خارج از محدودۀ سیگنال باشد، پس از بازگشت به محدوده مجدداً به زمان صحیح تنظیم میشود. نسلهای جدیدتر ساعتهای اتمی برای کاهش این اختلالات ارتقا یافتهاند. ساعتهایی که اخیراً توسعه یافتهاند مجهز به GPS هستند تا سیگنال را از ماهوارهها دریافت کنند یا با ساعتهای اتمی در سراسر جهان هماهنگ شوند. دیری نخواهد بود که این فناوری آنقدر پیشرفت کند که حتی این مسائل جزئی نیز به دغدغۀ مربوط به گذشته تبدیل شود.