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.

درک سازوکار دقیق زمان‌سنج‌های اتمی و اینکه طول ثانیه بدواً چگونه تعیین شده است، نیاز به ورود عمیق‌تری به مبحث فیزیک اتمی دارد. مطمئن باشید که زمان‌سنج‌های اتمی دقیق‌تری ابزار سنجش زمان است که توسط علم ایجاد شده اند.

ساعت‌های اتمی دقیق‌تر هستند

اگر ساعتی غیر از ساعت اتمی به دست داشته باشید، دقیق‌ترین گاه‌شمار ممکن را ندارید. ساعتی که از همسرتان هدیه گرفته‌اید کادوی خوبی است اما تا همین جا که برای خواندن این متن زمان گذاشته‌اید چندمیکروثانیه خطا داشته است. همۀ گاه‌شمارها خطا را تجربه می‌کنند که به معنای ناهماهنگی گاه‌شمار با زمان‌سنج مبدا است. حتی اگر ساعت شما در ابتدا توسط زمان‌سنج اتمی هماهنگ شده باشد، زمان نهایتاً دستخوش تغییر خواهد شد. یک سال پس از خرید، اگر ساعت را با زمان‌سنج اتمی مقایسه کنید اختلاف قابل توجهی خواهید دید. هنوز ساعتی تولید نشده است که مقداری خطا را تجربه نکند. بله حتی ساعت‌های اتمی خطا می‌کنند اما به طور متوسط، خطایی در یک ثانیۀ واحد در هر ۱۰۰ میلیون سال است، پس متوجه آن نخواهید شد!

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.

آیا ساعت‌های اتمی مقرون به صرفه وجود دارد؟

در حالی که برخی ساعت‌های اتمی قیمت‌های نجومی دارند، گزینه‌های مقرون به صرفه‌ای نیز برای استفادۀ روزمره وجود دارد. کاسیو، تولیدکنندۀ ساعت‌های پرفروش G-Shock، مجموعه ساعت‌های خورشیدی را می‌سازد که مطابق زمان اتمی هستند. مثلاً Casio G-Rescue Solar Atomic تا 200m ضدآب است، با انرژی خورشیدی کار می‌کند، و دارای تایمر شمارش معکوس، استاپ‌واچ، آلارم‌ها، و زمان جهانی UDT است. به نسبت قیمتش دارای چند ویژگی است (و یک راهنمای استفاده مربوط به ویژگی‌ها که یک آخر هفته می‌تواند شما را سرگرم کند.)

اگر می‌توانید بیشتر هزینه کنید نگاهی به ساعت‌های اکودرایو برند سیتیزن بیاندازید. مدل‌هایی مانند Eco-Drive Navihawk با کریستال معدنی ضد انعکاس، حرکت کوارتز ژاپنی باکیفیت و صفحۀ نمایش آنالوگ شیک از مواردی است که باید در نظر گرفته شود. متاسفانه این مدل به جای کریستال یاقوت کبود که در برابر خش مقاوم‌تر است از کریستال معدنی استفاده می‌کند اما این اشکال در برابر ویژگی‌های کیفی این ساعت بسیار جزئی است.

گاه‌شمار Navihawk که توسط امواج رادیویی کنترل می‌شود، دارای تایمر شمارش معکوس 99 دقیقه‌ای است و می‌تواند زمان درست را در 43 شهر مختلف روی نمایش دیجیتال کوچک روی صفحۀ غیررقمی نشان دهد. همچنین دارای صفحه نمایش Coordinated Universal Time است.

اگر می‌خواهید ساعت اتمی مقرون به صرفۀ شما بیشترین ارزش را در برابر پولی که می‌دهید داشته باشد نگاهی به Casio Men’s AQS800WD-1EV بیاندازید. این ساعت زمان جهانی را در ۴۸ شهر در ۳۱ منطقۀ زمانی نمایش می‌دهد، دارای پنج آلارم و تایمر شمارش معکوس است و تا عمق ۱۰۰ متری (حدود ۳۳۰ فوت) در برابر آب مقاوم است. از نظر قیمت نیز واقعاً نمی‌توانید یک ساعت اتمی باکیفیت به کمتر از این قیمت پیدا کنید.

آیا باید ساعت اتمی بخرم؟

مطمئناً ساعت‌های اتمی شگفتی برخاسته از نبوغ بشر هستند. بدون ساعت‌های اتمی و علم زیربنای آن‌ها سیستم‌های موقعیت‌یابی جهانی و سایر فناوری‌هایی که به زمان‌بندی دقیق متکی هستند، اگر کاملاً بی‌اثر هم نباشند، دقت آنها بسیار کمتر خواهد بود. آیا این بدین معناست که شما در زندگی شخصی خود به آن نیاز دارید؟

دنیای فناوری مدرن با ساعت اتمی کار می‌کند، اما ساعت اتمی در زندگی اکثر مردم تفاوتی ایجاد نمی‌کند. تعاملات روزانه به دقت میلی‌ثانیه‌ای بستگی ندارد. (اگر رئیس شما انقدر سختگیر است، احتمالاً باید به دنبال شغل جدیدی باشید.)