یک نانوثانیه تا فاجعه؛ چرا ناسا به ساعت های اتمی وابسته است؟ – پامپا
بشر از زمانی که مفهوم زمان را درک کرد و به اهمیت آن پی برد، از انواع ساعتها برای اندازهگیری و دنبال کردن گذر زمان استفاده کرده است. در طول تاریخ، هرچه فناوری پیشرفت کرده، ابزارها و روشهای زمانسنجی نیز دقیقتر و پیشرفتهتر شدهاند. امروزه بسیاری از افراد برای اطلاع از زمان، برنامهریزی کارهای روزمره و حتی بیدار شدن در زمان مشخص، به ساعتهای دیجیتال متکی هستند؛ هرچند در سالهای اخیر استفاده از ساعتهای زنگدار فیزیکی نیز دوباره محبوبیت پیدا کرده است. با این حال، این ساعتهای رایج برای شرایط بسیار حساس و پیچیدهٔ فضا مناسب نیستند. یا شاید بهتر باشد بگوییم که دقت آنها برای چنین مأموریتهایی اصلاً کافی نیست.
هر زمان که ناسا وسیلهای را به فضا یا حتی به مدار زمین پرتاب میکند، آن وسیله به یک ساعت اتمی مجهز است. حتی ماهوارههای سامانهٔ موقعیتیاب جهانی (GPS) نیز به جای روشهای متداول زمانسنجی از ساعت های اتمی استفاده میکنند، زیرا روشهای سنتی ذاتاً دارای محدودیتها و خطاهایی هستند. واقعیت این است که هیچ دو ساعتی کاملاً یکسان ساخته نمیشوند؛ نقصهای بسیار کوچک و تقریباً نامحسوس در فرایند ساخت میتوانند بر میزان دقت آنها در اندازهگیری زمان تأثیر بگذارند. برخی ساعتها به دلیل تفاوتهای اجتنابناپذیر در تولید، اندکی سریعتر یا کندتر از سایرین کار میکنند. چنین اختلافهایی روی زمین شاید چندان مهم به نظر نرسند، اما برای سفرهای فضایی و مأموریتهای مداری میتوانند مشکلساز باشند. گاهی تنها یک خطای بسیار جزئی در زمانبندی کافی است تا ماهواره به جای قرار گرفتن در مدار خود، به سمت زمین سقوط کند.
حتی اگر در دنیایی ایدهآل زندگی میکردیم که تمام ساعتها کاملاً با یکدیگر هماهنگ بودند و هیچ اختلافی میان آنها وجود نداشت، باز هم بسیاری از این ساعتها از نظر ناسا دقت لازم را نداشتند. ساعتهای دیجیتال زمان را بر اساس نوسان کریستالهای کوارتز داخلی خود اندازهگیری میکنند. این کریستالها با فرکانسی مشخص، یعنی 32٬768 بار در هر ثانیه، ارتعاش میکنند. هر بار که تعداد ارتعاشات کریستال به 32٬768 برسد، ساعت آن را معادل یک ثانیه در نظر میگیرد. البته، این موضوع در تئوری کاملاً درست به نظر میرسد.
اما در عمل، ساعتهای مبتنی بر کریستال کوارتز به مرور زمان دچار افت دقت میشوند. پس از گذشت یک ساعت، ممکن است حدود یک نانوثانیه اختلاف ایجاد شود. این اختلاف پس از شش هفته به دستکم یک میلیثانیه افزایش مییابد. هرچند این اعداد بسیار کوچک به نظر میرسند، اما مشکل اصلی در انباشته شدن تدریجی این خطاهاست. همین افزایش مداوم و تجمعی خطا باعث میشود که دستیابی به زمانسنجی کاملاً دقیق کاری بسیار دشوار و پیچیده باشد. به همین دلیل است که ناسا برای مأموریتهای فضایی خود به ساعت های اتمی متکی است؛ ساعتهایی که دقت آنها بسیار فراتر از ساعتهای معمولی است و میتوانند نیازهای سختگیرانهٔ مأموریتهای فضایی را برآورده کنند.
چه چیزی در اتمها وجود دارد که آنها را برای ساخت ساعت های اتمی تا این حد ویژه میکند؟
اتمها بنیادیترین اجزای سازندهٔ جهان مادی هستند. زمین از اتمها تشکیل شده است. بدن شما از اتمها ساخته شده است. حتی انفجارهای هستهای نیز در نهایت به رفتار اتمها مربوط میشوند. البته دقیقتر بگوییم، در انفجارهای هستهای اتمهای عناصر رادیواکتیو شکافته میشوند و مقدار عظیمی انرژی آزاد میکنند، اما اصل ماجرا همچنان به اتمها بازمیگردد. با این حساب، چه ویژگیای باعث میشود اتمها به زمانسنجهای ایدهآل تبدیل شوند؟ پاسخ ساده است: آنها کاملاً طبیعی هستند.
برخلاف قطعات مکانیکی یا الکترونیکی که توسط انسان ساخته میشوند و ممکن است تفاوتهای بسیار جزئی میان آنها وجود داشته باشد، تمام اتمهای یک عنصر مشخص دقیقاً یکسان هستند. یک اتم سزیم در هر نقطه از جهان همان ویژگیهایی را دارد که اتم دیگری از همان عنصر دارد. علاوه بر این، اتمها مانند قطعات مکانیکی فرسوده نمیشوند و با گذشت زمان سرعت عملکردشان کاهش پیدا نمیکند. همین ثبات ذاتی، آنها را به مرجعی فوقالعاده برای اندازهگیری زمان تبدیل میکند.
البته، اتمها کوچکترین ذرات موجود در جهان نیستند. هر اتم خود از بخشهای کوچکتری تشکیل شده است. در مرکز اتم، هسته قرار دارد که از پروتونها و نوترونها ساخته شده است. در اطراف این هسته نیز الکترونها در سطوح انرژی یا مدارهای مختلف حضور دارند. زمانی که یک اتم انرژیای با فرکانس مشخص دریافت میکند، الکترونهای آن میتوانند از یک سطح انرژی به سطح دیگری منتقل شوند. این جابهجایی تنها در فرکانسهای کاملاً معین و ثابت رخ میدهد. دانشمندان با اندازهگیری دقیق این فرکانس میتوانند گذر زمان را با دقتی فوقالعاده بالا محاسبه کنند. البته، باید گفت که این فرایند نیز کاملاً بینقص نیست، هرچند بسیار دقیقتر از روشهای معمول است.
در واقع، سازوکار ساعت های اتمی آنقدرها هم که در نگاه اول به نظر میرسد ساده و بیخطا نیست. این ساعتها برای تولید و انتقال فرکانس مورد نیاز همچنان از نوسانسازهای مبتنی بر کریستال کوارتز استفاده میکنند؛ همان فناوریای که پیشتر دیدیم به تنهایی نمیتواند دقت کامل را تضمین کند. در بیشتر مواقع، فرکانس تولید شده توسط کریستال کوارتز به مقدار صحیح بسیار نزدیک است و در نتیجه بخش عمدهای از الکترونها به سطح انرژی مورد نظر منتقل میشوند. اما گاهی این فرکانس اندکی از مقدار ایدهآل فاصله میگیرد و در آن صورت تنها تعداد کمی از الکترونها تغییر وضعیت میدهند.
نکتهٔ مهم اینجاست که ساعت اتمی میتواند این اختلاف را تشخیص دهد. سیستم ساعت با بررسی تعداد الکترونهایی که تغییر سطح انرژی دادهاند، متوجه میشود که آیا فرکانس تولید شده دقیق بوده است یا خیر. سپس در صورت وجود خطا، تنظیمات لازم را انجام میدهد تا نوسانساز دوباره به فرکانس صحیح بازگردد. به بیان دیگر، ساعت اتمی به طور مداوم عملکرد خود را کنترل و اصلاح میکند.
همین قابلیت خودتنظیمی و خوداصلاحی است که ساعت های اتمی را به مراتب دقیقتر از سایر ساعتهای ساخته شده توسط انسان میکند. در حالی که ساعتهای معمولی به تدریج دچار انحراف میشوند و خطای آنها با گذشت زمان افزایش مییابد، ساعت های اتمی پیوسته خود را با رفتار ثابت و تغییرناپذیر اتمها تطبیق میدهند و به همین دلیل میتوانند زمان را با دقتی شگفتانگیز اندازهگیری کنند.
در فضا کسی صدای درخواست بهروزرسانی شما را نمیشنود!
تمام ماهوارههای سامانهٔ موقعیتیاب جهانی (GPS) برای زمانسنجی خود از ساعت های اتمی استفاده میکنند و به طور مداوم با زمین در ارتباط هستند. این ارتباط تنها به این دلیل نیست که هنوز افراد زیادی از دستگاههای GPS دستی و سامانههای ناوبری وابسته به این ماهوارهها استفاده میکنند، بلکه دلیل مهم دیگری نیز وجود دارد: دریافت بهروزرسانیهای زمانی.
واقعیت این است که هرچند ساعت های اتمی نصب شده روی ماهوارههای GPS بسیار دقیق هستند، اما همچنان به اصلاحات دورهای نیاز دارند. این اصلاحات از سوی ساعت های اتمی بزرگتر و پایدارتر مستقر روی زمین انجام میشود. این ساعتهای زمینی به دلیل اندازه، پیچیدگی و نیازهای عملیاتی خود نمیتوانند در شرایط سخت فضا دوام بیاورند، اما از نظر دقت عملکرد، مرجع بسیار مطمئنی برای تنظیم ساعتهای ماهوارهای محسوب میشوند. با این حال، ناسا در حال توسعهٔ نسل جدیدی از ساعت های اتمی است که بتوانند بدون وابستگی مداوم به زمین، در اعماق فضا به فعالیت خود ادامه دهند.
ساعت اتمی فضای دوردست یا Deep Space Atomic Clock (به اختصار DSAC) نمونهای نسبتاً جدید از این فناوری پیشرفته است. این ساعت برای نخستین بار در سال 2019 به فضا فرستاده شد و هدف از طراحی آن، کوچکسازی فناوری ساعت های اتمی زمینی و در عین حال کاهش مصرف انرژی آنها بود. مهندسان ناسا تلاش کردند سیستمی بسازند که هم به اندازهٔ کافی دقیق باشد و هم بتواند در مأموریتهای طولانی مدت فضایی مورد استفاده قرار گیرد.
راز اصلی عملکرد DSAC در استفاده از جیوه، و به طور مشخص یونهای جیوه، نهفته است. در ساعت های اتمی معمولی، اتمها درون محفظههای خلأ نگهداری میشوند و هرگونه تغییر محیطی میتواند بر فرکانس اندازهگیری شده تأثیر گذاشته و باعث ایجاد خطا شود. بیشتر ساعت های اتمی از اتمهای خنثی استفاده میکنند، اما یونهای جیوه دارای بار الکتریکی هستند. همین ویژگی به دانشمندان اجازه میدهد آنها را درون نوعی «تلهٔ الکترومغناطیسی» نگه دارند.
این تلهٔ الکترومغناطیسی مزیت مهمی دارد: در برابر شرایط سخت و چالشهای محیط فضایی بسیار مقاومتر است. به همین دلیل، یونهای جیوه میتوانند پایداری بیشتری داشته باشند و اندازهگیریهای دقیقتری را در فواصل بسیار دور از زمین امکانپذیر کنند.
اگر همه چیز مطابق برنامه پیش برود، ساعت DSAC میتواند حدود 50 برابر دقیقتر از ساعت های اتمی فعلی مورد استفاده در ماهوارههای GPS باشد. البته، این فناوری نیز کاملاً عاری از خطا نیست و همچنان مقداری انحراف طبیعی در عملکرد آن وجود دارد. با این حال، میزان این انحراف فوقالعاده ناچیز است؛ به طوری که خطای تجمعی آن در هر چهار روز کمتر از یک نانوثانیه است.
برای درک بهتر این میزان دقت، کافی است بدانیم که خطای انباشتهٔ چنین ساعتی تنها پس از حدود 10 میلیون سال به یک ثانیه میرسد! این مقدار شاید از نظر تئوری کامل و بینقص نباشد، اما در عمل چنان دقیق است که هیچ انسانی عمر کافی برای مشاهدهٔ این اختلاف نخواهد داشت.
به احتمال زیاد، زمانی که بشر سرانجام سفرهای منظم و طولانی مدت به سیاره مریخ را آغاز کند، فضاپیماها و سامانههای ناوبری آنها از فناوری زمانسنجی DSAC یا نسلهای پیشرفتهتر آن بهره خواهند برد. چنین ساعتهایی میتوانند بدون نیاز به دریافت مداوم اصلاحات از زمین، موقعیت و زمان را با دقتی بیسابقه محاسبه کنند و نقش مهمی در آینده اکتشافات فضایی ایفا نمایند.
