الفضاء
إعادة تقييم الزمن والفضاء – كيف سيلعب الثوريوم دورًا
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
مفهوم الزمن والفضاء لطالما أمتع العلماء. كل ما نراه حولنا يعمل ضمن إطار زمني ومكاني. ألبرت أينشتاين قال مشهورًا، “الإنسان جزء من الكل، نسميه “الكون”، جزء محدود في الزمن والفضاء.”
ومع ذلك، تستمر تقييماتنا للزمن والفضاء في التطور مع التقدمات التي تحققت في العلم وفهمنا الفلسفي له.
إحدى أحدث الإضافات إلى هذا التدفق التطوري، شيء قد يكون مغيرًا للعبة أو ثوريًا، يأتي من مدخلات بحث فريق بقيادة البروفيسور تورستن شوم من جامعة TU Wien (فيينا). التوقع هو أن هذا البحث قد يمهد الطريق لتقنيات عالية الدقة ثورية، بما في ذلك الساعات النووية.
نواة الذرة مُثارة بالليزر: الحالة الغريبة للانتقال الثوريومي
يسعى المجتمع العلمي منذ زمن طويل لتحقيق حالة محددة جدًا لنوى ذرات الثوريوم التي ستساعد في بناء ساعات نووية أكثر دقة في قياس الوقت من أفضل الساعات الذرية المتاحة اليوم.
على مستوى أوسع، مثل هذه القياسات الدقيقة للوقت ستساعد في إعادة تقييم الفرضيات الأساسية للفيزياء النظرية، بما في ذلك السؤال حول ثوابت الطبيعة: هل هذه الثوابت مقدسة، أم أنها تتغير في الفضاء والزمن؟
لقياس الوقت بهذه الدقة سيتطلب معرفة الطاقة الدقيقة لإثارة الثوريوم إلى نقطة انتقاله الذري. بفضل البحث الذي نناقشه، أصبحت تلك الطاقة معروفة الآن بمستوياتها الدقيقة. وبالتالي، للمرة الأولى، أصبح من الممكن نقل نواة ذرية إلى حالة طاقة أعلى عبر الليزر ثم تتبع عودتها إلى حالتها الأصلية.
هذه الظاهرة تمثل أيضًا إنجازًا رائدًا حيث إنها المرة الأولى التي يمكن فيها دمج مجالين مميزين من الفيزياء—الفيزياء الكمومية والفيزياء النووية—في وحدة واحدة. تطلب البحث تطوير بلورات خاصة تحتوي على الثوريوم.
منذ سبعينيات القرن الماضي، كان العلماء على علم بإمكانية وجود نواة ذرية خاصة يمكن التحكم فيها بالليزر. ومع ذلك، يتطلب النجاح معرفة طاقة الانتقال بدقة قصوى. وفقًا للبروفيسور تورستن شوم:
“معرفة طاقة هذا الانتقال بدقة إلكترون فولت واحد لا فائدة منها إذا كان عليك الوصول إلى الطاقة الصحيحة بدقة جزء من المليون من الإلكترون فولت لاكتشاف الانتقال.”
لتحقيق النجاح في هذه المهمة التي بدت شبه مستحيلة في ذلك الوقت، طور الفريق بلورات تحتوي على عدد كبير من ذرات الثوريوم.
فابيان شادن، الباحث المسؤول عن تصميم هذه البلورات في فيينا، قال ما يلي لتوضيح التعقيدات involved:
“على الرغم من أن هذا معقد تقنيًا، إلا أنه يمتاز بقدرتنا ليس فقط على دراسة نوى الثوريوم الفردية بهذه الطريقة بل ويمكننا أيضًا أن نضرب تقريبًا عشرة أس سابعة عشر نواة ثوريوم في آن واحد بالليزر – أي ما يعادل مليون مرة عدد النجوم في مجرتنا.”
وجود عدد كبير من نوى الثوريوم زاد من تأثير العملية، مما قلل من زمن القياس المطلوب وزاد من فرصة العثور على طاقة الانتقال فعليًا.
ما مدى أهمية هذا الاختراق؟ وفقًا لتورستن شوم:
“بالنسبة لنا، هذا حلم يتحقق.” وأضاف قائلاً: “نحن سعداء لأننا الآن من يستطيع تقديم الاختراق الحاسم: أول إثارة نواة ذرية مستهدفة بالليزر.”
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل خمس أسهم نووية للاستثمار.
تأثير النجاح على مفاهيم الزمن والفضاء
النجاح الذي تحقق في هذا البحث سيؤدي إلى أدوات قياس أكثر دقة. ستستخدم الساعات تذبذب الضوء الذي يفعّل انتقال الثوريوم لتتحول إلى نماذج جديدة قد تكون أكثر دقة من أفضل الساعات الذرية المتاحة اليوم.
قد تساعد الظاهرة أيضًا في تحليل حقول الجاذبية الأرضية بدقة أكبر، مما قد يساعد في تحديد مواقع الموارد المعدنية والإشارة إلى قرب حدوث الزلازل بدقة متزايدة.
لا يزال الباحثون غير متأكدين من كامل طيف إمكانات التطبيقات، لكنهم واثقون من أن الإمكانات قد تكون لا حدود لها. وفقًا لكلمات تورستن شوم:
“طريقة القياس لدينا هي مجرد البداية. لا نستطيع بعد التنبؤ بالنتائج التي ستحققها. سيكون ذلك بالتأكيد مثيرًا للغاية.”
يمكن لهذا البحث أن يفيد بشكل كبير الشركات التي تطور ساعات دقيقة متطورة. فيما يلي بعض هذه الشركات.
#1. Microsemi
تُعرف شركة Microsemi عالميًا بقدراتها في الساعات الذرية. هذه الساعات التي يُنظم مُذبذبها الكهربائي بترددات الاهتزاز الطبيعية لنظام ذري، والتي قد تكون حزم ذرات السيزيوم أو ذرات الأمونيا أو الريبيديوم.
تُعرف ساعات Microsemi الذرية بأنها توفر أكثر من 90٪ من الإدخال إلى الوقت العالمي المنسق (UTC). كما أنها المزود التجاري الوحيد في العالم لساعات أنبوب حزمة السيزيوم، والتي يمكن العثور عليها في المختبرات الوطنية حول العالم.
تُصنّف الشركة نفسها كمزود رائد لساعات الذرية ذات الخلية الغازية، بما في ذلك ساعة الذرية على مقياس الشريحة (CSAC)، أصغر وأقل استهلاكًا للطاقة في العالم، وساعة الذرية المصغرة (MAC).
تقول Microsemi إن ساعات السيزيوم الذرية مفيدة بشكل خاص في مجال الاتصالات. يمكن لهذه الساعات دعم تقنية GNSS/GPS بكفاءة عالية لتطبيقات التردد والوقت والطور.
يعمل السيزيوم بدقة انحراف عن UTC بمقدار 1×10-12. يجعل ذلك ساعة السيزيوم قادرة على دعم GNSS/GPS دون تدهور في الأداء لتطبيقات التردد. يتيح ذلك وضع الاحتفاظ للوقت وتطبيقات الطور.
مع ذلك، بفضل نجاح أبحاث “انتقال الثوريوم”، تمتلك Microsemi الآن الموارد لتطوير ساعة أكثر دقة وتفصيلًا.
MCHP مخطط السعر
بشكل عام، تُعد شركة Microsemi Corporation شركة فرعية مملوكة بالكامل لشركة Microchip Technology (MCHP ) Inc. (Nasdaq: MCHP). في السنة المالية 2023، سجلت Microchip مبيعات صافية تجاوزت US$8.4 مليار. في عام 2023، أعادت الشركة $1.64 مليار لمساهميها مقارنةً بـ $0.9 مليار التي أعادت في السنة المالية 2022.
#2. General Atomics
في أكتوبر 2021، أعلنت شركة General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) أنها أكملت مهمة NASA لمختبر الفضاء العميق للساعة الذرية. وفقًا لرئيس GA-EMS، سكوت فورني:
“نجاح مهمة DSAC على متن OTB يمهد الطريق للجهود المستقبلية لتطوير تقنيات حاسمة في الفضاء وإطلاقها إلى المدار بتصاميم أقمار صناعية موثوقة وقوية.”
كانت DSAC ساعة ذرية مصغرة ذات دقة فائقة تعتمد على أيونات الزئبق. وفقًا لتقييم General Atomics، أظهرت استقرارًا زمنيًا محسّنًا بشكل كبير مقارنةً بالساعات الذرية الأخرى العاملة على أقمار GPS. يمكنها قياس الوقت باستمرار على فترات طويلة ودعم الملاحة والاستكشاف في الفضاء العميق.
من المفهوم أن شركة General Atomics هي شركة ستستفيد بشكل كبير من أبحاث “انتقال الثوريوم”.
في جوهرها، General Atomics هي شركة دفاع وتكنولوجيا متنوعة. في عام 2023، حققت الشركة إيرادات قدرها US$3.1 billion.
بينما تتجه الساعات النووية نحو مزيد من الدقة، استمر العلماء في تطوير حلول أدت إلى جيل جديد من الساعات الذرية. في أحد هذه التجارب في ليزر الأشعة السينية الأوروبي XFEL، استفاد الباحثون من عنصر السكانديوم.
ساعة ذرية عالية الدقة: الاستفادة من السكانديوم لمعايير دقة عالية للغاية
استفاد الباحثون من السكانديوم للوصول إلى دقة ثانية واحدة في 300 مليار سنة، وهو ما يُعادل ألف مرة أكثر دقة من المعايير الحالية للساعات الذرية القائمة على السيزيوم.
مثل انتقال الثوريوم الذي ناقشناه في البداية، استطاع الباحثون في European XFEL إثارة انتقال واعد في نواة السكانديوم. السكانديوم متوفر بسهولة كرقائق معدنية عالية النقاء أو كمركب أكسيد السكانديوم. الطاقة المطلوبة لإثارةه بدقة لهذا الغرض تحتاج إلى أشعة سينية بطاقة 12.4 كيلوفولت إلكترونية (keV)، أي ما يعادل 10,000 مرة طاقة الضوء المرئي.
يبلغ عرضه فقط 1.4 فيمتو إلكترون فولت (eV) أي 1.4 كوادريليون من الإلكترون فولت، وهو ما يعادل تقريبًا عُشر تريليون من طاقة الإثارة (10-19). ساعد ذلك في الوصول إلى دقة 1:10,000,000,000,000، ما يعادل ثانية واحدة في 300 مليار سنة.
أثناء شرح الفوائد المحتملة لهذا البحث ونجاحه، أشار الباحثون إلى عدة أمور. على سبيل المثال، يمكن للساعات الذرية ذات الدقة المحسنة أن تساعد الأقمار الصناعية على تحديد مواقعها بدقة أكبر. كما أبرز الباحثون إمكانات الساعة الذرية كمدخل لفتح آفاق الساعات النووية المستقبلية.
وفقًا لقائد المشروع في التجربة، يوري شفيدكو من مختبر أرغون الوطني في الولايات المتحدة:
“الاختراق في الإثارة الرنانة للسكانديوم والقياس الدقيق لطاقته يفتح آفاقًا جديدة ليس فقط للساعات النووية بل أيضًا للطيفية ذات الدقة الفائقة وقياس التأثيرات الفيزيائية الأساسية بدقة.”
موسعةً على الإمكانات التي يحملها هذا البحث، قالت أولغا كوشاروفسكايا من جامعة تكساس إيه&إم في الولايات المتحدة، مبتكرةً وقائدة المشروع، ما يلي:
“على سبيل المثال، قد تسمح مثل هذه الدقة العالية بفحص تمدد الزمن الجاذبي على مسافات دون المليمتر. هذا سيسمح بدراسات لتأثيرات النسبية على مقاييس طولية كانت غير متاحة حتى الآن.”
خلاصة القول، هذا الابتكار، مثل ما قرأنا عن انتقال الثوريوم، يحمل عدة فوائد. على مستوى واحد، تعني هذه الفوائد تطبيق الظاهرة مباشرةً لتطوير حلول جديدة. وعلى مستوى آخر، تتجلى الفوائد في آفاق جديدة تُفتح. في مجال الفيزياء النظرية، ستؤدي هذه الآفاق المفتوحة إلى حلول أكثر كفاءة.
الساعة الدقيقة التي استفادت من السترونتيوم
لقد استعرضنا بالفعل كيف تم استخدام الثوريوم والسكانديوم لإعادة تقييم الزمن والفضاء إلى أقصى حد ممكن. في عام 2022، استكشف الباحثون إمكانات السترونتيوم في هذا الصدد.
شمل البحث مجموعة من العلماء الأمريكيين. زعموا أنهم بنوا جهازًا أكثر دقة بخمسين مرة مقارنةً بأقرانه من الساعات الذرية.
وفقًا لجون يي، المنتسب إلى المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) وجامعة كولورادو بولدر، إلى جانب ميزاته الدقيقة، يمكن للساعة أن تُحدث اكتشافات في ميكانيكا الكم والبارادايما التي توجه ديناميكيات العالم دون الذري.
نجحت الحلول في استكشاف شبكات الضوء، المعروفة باسم الشبكات الضوئية. يمكن لهذه الشبكات حجز الذرات بطريقة منظمة ومنعها من السقوط بسبب الجاذبية أو الحركات التي تؤدي إلى فقدان الدقة. تتألف الساعة الدقيقة من 100,000 ذرة سترونتيوم. كل ذرة مُرتبة فوق الأخرى بطريقة تشبه الفطيرة لتشكل ارتفاعًا يقارب المليمتر الواحد.
أثناء شرح الميزات المثيرة للساعة، قال يي:
“الفضاء والزمن مرتبطان. ومع قياس الوقت بهذه الدقة، يمكنك رؤية كيف يتغير الفضاء في الوقت الحقيقي—الأرض كيان حي ومفعم بالحياة.”
مثل الساعات الأخرى التي ناقشناها حتى الآن، كان يي متحمسًا لإمكانات هذه الساعة في إحداث عصر جديد تمامًا للفيزياء. يمكن للساعة اكتشاف فروق زمنية عبر 200 ميكرومتر. عند تقليلها إلى 20 ميكرومتر، يمكنها فحص ديناميكيات العالم الكمومي الداخلية بشكل أكثر كفاءة.
إعادة تقييم الزمن والفضاء مع الثوريوم وأكثر: كلمات ختامية
إلى جانب فتح أبعاد جديدة حول الطبيعة الزمنية والمكانية لكوننا، تخدم هذه الساعات فائقة الدقة العديد من الأغراض، بما في ذلك تحسين أنظمة الاتصالات والملاحة.
وفقًا لأندرو لودلو، فيزيائي من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في بولدر، كولورادو:
“هناك العديد من التطبيقات للساعات التي تحتاج إلى استقرار جيد فقط، وهناك مجموعة من التطبيقات التي لا يكفي فيها الاستقرار فقط، بل تحتاج أيضًا إلى دقة.”
يمكن لهذه الأجهزة فائقة الحساسية قياس كل تموج صغير عبر الزمكان. يمكنها اكتشاف موجات الجاذبية بترددات تكاد تكون غير متاحة لحلولنا التقليدية. يمكن لجهاز قياس الزمكان عالي الأداء أن يكتشف أصغر التغييرات الجاذبية التي تحدث تحت الأرض لتشير إلى ظروف إشارة تمهيدية لحدوث زلزال أو ثوران بركاني.
خلاصة القول، الاحتمالات لا حدود لها، وقد يكتشف العلماء المزيد من العناصر مثل الثوريوم والسكانديوم والسترونتيوم في الأيام القادمة التي ستحدث ثورة في طريقة رؤيتنا للفضاء والزمن.
