ساعة اللوتيتيوم السنغافورية: كيف وصلت إلى دقة تقترب من 10⁻¹⁹؟

حين يقال إن ساعة ذرية «دقيقة»، فالمقصود ليس سرعة عدّ نبضاتها وحدها، بل مدى قدرة الباحثين على تحديد التردد الذي تعتمد عليه وتصحيح كل ما قد يغيّره. في مركز تقنيات الكم بسنغافورة، طوّر فريق موراي باريت ساعة ضوئية بأيون اللوتيتيوم، وأبلغ عن عدم يقين نسبي في ترددها يقارب 1 × 10⁻¹⁹. ونُشرت النتيجة في نيتشر يوم 23 سبتمبر 2026؛ ويصفها الفريق بأنها أعلى دقة أُبلغ عنها حتى الآن لساعة ذرية ضوئية.306

من أين تأتي هذه الدقة؟

يعتمد مرجع الساعة على أيون واحد مشحون من اللوتيتيوم-176. ويسبر الباحثون انتقالاً بين حالاته الذرية بليزر طول موجته 848 نانومتراً. تتيح الذبذبة الضوئية قياساً بالغ الدقة، لكنها ليست محصّنة بذاتها: فالحقول الكهرومغناطيسية والإشعاع الحراري قد يغيّران التردد المرجعي.72521

لهذا لم تكن النتيجة وليدة تجربة واحدة. ففي خطة بحثية تعود إلى عام 2015، طرح فريق باريت المتوسط فائق الدقة وسيلةً للاستفادة من انتقال اللوتيتيوم في الساعة. تقوم الفكرة على الجمع بين قياسات حالات ذرية مترابطة، بحيث تتلاشى بعض إزاحات التردد المرتبطة بكل حالة. وأظهر الفريق لاحقاً تطبيق هذه الطريقة باستخدام تقنية تُعرف بـ«فكّ الارتباط الديناميكي» في ساعة لوتيتيوم متعددة الأيونات.29152

واحتاجت مصادر اضطراب أخرى إلى معالجة مستقلة. ففي عام 2019، قاس الباحثون فروق التردد بين أيونات ساعة تضم ثلاثة أيونات وخفّضوها، بما في ذلك آثار مرتبطة بالعزم الكهربائي رباعي القطب. وتتناول أبحاث اللوتيتيوم أيضاً تأثير الإشعاع الحراري وتدرّجات المجال الكهربائي؛ فلا تعني الدقة المُعلنة أن العنصر لا يتأثر بالبيئة المحيطة.1821

رقمان قياسيان، لكنهما لا يقيسان الشيء نفسه

يشير رقم نحو 1 × 10⁻¹⁹ إلى عدم اليقين النسبي المُعلَن لتردد مرجع الساعة. أما 5.7 × 10⁻¹⁹ فهو عدم اليقين في مقارنة ساعتين مستقلتين في بنائهما. تختبر المقارنة مدى اتفاق المرجعين، ولا يصح عرض رقمها على أنه صياغة أخرى لدقة الساعة الواحدة.6524

استخدم الفريق التحليل الطيفي بالترابط في مقارنة مراجع تردد اللوتيتيوم. وتساعد هذه الطريقة على الحد من أثر ضجيج الليزر المستخدم في فحص الانتقال الذري، فتسهل ملاحظة فروق صغيرة بين الساعتين. لكنها لا تستبعد بمفردها احتمال وجود انحراف منهجي مشترك بينهما. وتَرِد مدة مقارنة بلغت 200 ساعة في السؤال الذي تناول النتيجة، غير أن مقتطفات المصادر المتاحة هنا لا تثبت تلك المدة أو تفاصيل حساب عدم اليقين المرتبط بها على نحو مستقل.2628

أما عبارة إن الساعة لن تتقدم أو تتأخر ثانيةً إلا بعد أكثر من 260 مليار سنة فهي تشبيه حسابي، وليست اختباراً استمر تلك المدة. فإذا افترضنا خطأً نسبياً ثابتاً قدره 1 × 10⁻¹⁹، نحصل على ثانية تقريباً خلال 317 مليار سنة؛ وعند 1.2 × 10⁻¹⁹ تصبح المدة نحو 264 مليار سنة. ويتوقف التشبيه على أيّ الرقمين الواردين في التغطيات يُستخدم.64

ما الذي يتغير الآن؟

قد تسهم المراجع الضوئية الأدق في إعادة تعريف الثانية مستقبلاً، لكن إنجاز مختبر واحد لا يكفي لإثبات إمكان إعادة إنتاج النتيجة بين مختبرات مختلفة، ولا لحسم أي انتقال ذري ينبغي اعتماده معياراً. ولا تؤكد الأدلة المتاحة موعداً رسمياً لهذا التغيير.3024

وعند هذا المستوى من الدقة، يصبح مكان الساعة جزءاً من القياس: فقرب سطح الأرض، يرتبط فرق ارتفاع مقداره مليمتر واحد بفرق نسبي في التردد بفعل الجاذبية يقارب 1.1 × 10⁻¹⁹. لذا تتطلب مقارنة ساعات في مواقع مختلفة معرفة فرق جهد الجاذبية بينها، إلى جانب التحقق من الساعات نفسها. أما صنع نسخة قابلة للنقل، فيستدعي الحفاظ على ضبط الأيون والليزر والتأثيرات البيئية، ثم إثبات مستوى عدم اليقين من جديد بعد نقلها.521