گران‌ترین جایزه‌ی علوم سال به ساعت اتمی فوق دقیق رسید
دو فیزیکدان برای کمک به ساخت یک ساعت اتمی بسیار دقیق که حتی در عمر کیهان کمتر از ۱ ثانیه خطا دارد، برنده‌ی گران‌ترین جایزه‌ی علوم در بخش فیزیک بنیادی امسال شدند.
«هیدتوشی یاتوری» (Hidetoshi Yatori) و «جون یی» (Jun Ye) به دلیل مشارکت در اختراع و توسعه‌ی «ساعت توری نوری» (Optical Lattice Clock) موفق شدند «جایزه‌ی پیشرفت چشمگیر» (Breakthrough Prize) را در بخش فیزیک بنیادی کسب کنند؛ نوعی ساعت اتمی که امکان انجام آزمایش‌های دقیق قوانین بنیادین طبیعت را فراهم می‌کند.
یاتوری پژوهشگر دانشگاه توکیو در مؤسسه‌ی تحقیقاتی «رایکن» (Riken) ژاپن فعالیت دارد و یی از دانشگاه کلرادو بولدر با مؤسسه‌ی ملی استاندارد و فناوری آمریکا همکاری می‌کند. این دو پژوهشگر به‌طور مستقل فعالیت داشتند و جایزه‌ی ۳ میلیون دلاری میان آن‌ها تقسیم شد.
تحقیقات یاتوری و یی در زمینه‌ی ساخت ساعت توری نوری بود که به گفته‌ی گردانندگان Breakthrough Prize دقت زمان‌سنجی را تا ۱۰۰۰ برابر افزایش می‌دهد. این ساعت جدید اگر ۳۰ میلیارد سال کار کند، یعنی بیش از دو برابر سن جهان، کمتر از ۱ ثانیه خطا خواهد داشت.
ساعت‌های توری نوری در حقیقت یک گام تکمیلی فراتر از ساعت‌های اتمی سنتی هستند که بر اساس جهش‌های کوانتومی ایجاد شده توسط الکترون‌ها در اتم‌های پرانرژی کار می‌کنند. «یک ثانیه» به‌طور رسمی به‌عنوان ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ چرخه‌ی پرتوافشانی تعریف می‌شود که الکترون‌ها را در اتم سزیم وارد می‌کنند تا یک جهش کوانتومی ایجاد کنند.
ساعت‌های اتمی در ابتدا از تابش در فرکانس مایکروویو برای القای این جهش‌ها استفاده می‌کردند. اما با جایگزینی پرتو نوری که دارای فرکانس‌های حدود ۱۰۰ هزار بار بالاتر از مایکروویو است، در ساخت این ساعت‌ها پیشرفت حاصل شد. این فرکانس‌های بالاتر، درست مانند ساعت‌های قدیمی با پاندول‌های سریع‌تر، دقت زمان‌سنجی را افزایش می‌دهند.
اندازه‌گیری بسامدهای بالاتر اما بسیار دشوارتر بود. مشکلی که کم‌وبیش با «شانه‌ی بسامد نوری» (Optical Frequency Comb) که فناوری توسعه یافته توسط «جان هال» (John Hall) و «تئودور هانش» (Theodor Hänsch) برندگان نوبل فیزیک سال ۲۰۰۵ حل شد.
طرحی گرافیکی از توری نوری که در حقیقت شبکه‌ای از امواج نور برا به دام انداختن اتم‌ها محسوب می‌شود.
Credit: Joint Quantum Institute
ساعت‌های اتمی با فرکانس‌های نوری، بیشتر از اتم‌های استرانسیوم به جای سزیم استفاده می‌کنند. بدین ترتیب هر دو پژوهشگر ضمن آشنایی با شیوه‌ی مهار اتم‌های استرانسیوم، آن‌ها را آرام نگه داشتند تا قابل اندازه‌گیری باشند. برای این کار آن‌ها از «توری نوری» استفاده کردند که یک موج ایستاده از پرتو لیزر است و نوعی شانه‌ی تخم‌مرغ ایجاد می‌کند که چاله‌های آن اتم‌ها را به دام می‌اندازد.
یی گفت: «این تقریبا شبیه یک پرتو کششی در داستان‌های علمی-تخیلی است که از بشقاب پرنده می‌تابد و مسافران را به سوی خود می‌کشد. شما یک پرتو کششی را وسط محفظه‌ی خلأ قرار می‌دهید و می‌توانید اتم‌ها را توسط نور معلق نگه دارید.»
دستکاری اتم‌ها به این ترتیب می‌تواند آن‌ها را به اندازه‌ای مختل کند که بر اندازه‌گیری‌های مهم زمان‌سنجی دقیق اثر بگذارد. به گفته‌ی یی «این کار اتم‌ها را فشرده می‌کند اما چگونه می‌توان مطمئن شد که آن‌ها حقیقت را بیان می‌کنند؟» این همان مشکل احتمالی است که یاتوری و یی با انتخاب طول موج مناسب برای پرتو کششی حل کردند.
یی خاطرنشان کرد: «ما پرتو کششی را به گونه‌ای مهندسی کردیم که عمل نگه داشتن اتم‌ها هیچ گونه اختلالی در اندازه‌گیری فاصله‌ی انرژی بین این دو حالت کوانتومی که برای اندازه‌گیری زمان بسیار مهم بود، ایجاد نمی‌کند.»
این پیشرفت چشمگیر باعث شد تا ساعت توری نوری به واقعیت تبدیل شود و پژوهشگران آن جایزه‌ی پیشرفت در فیزیک بنیادی را دریافت کنند.
به گفته‌ی گردانندگان جایزه، کاربردهای بالقوه‌ی این فناوری پرشمار و متنوع است. برای نمونه ساعت‌های توری نوری می‌توانند دقت سیستم موقعیت‌یابی جهانی (GPS) و دیگر شبکه‌های ناوبری ماهواره‌ای را تا حد زیادی بهبود ببخشند و امکان هدایت دقیق‌تر کاوشگرهای اعماق فضا را فراهم کنند.
این فناوری همچنین می‌تواند آزمایش‌های جدید نظریه‌ی نسبیت اینشتین را برای نمونه مطالعه‌ی دقیق اتساع زمان گرانشی و دیگر اثرات مرتبط را امکان‌پذیر سازد. ساعت‌های توری نوری می‌توانند به تشخیص امواج گرانشی هم کمک کنند و پژوهشگران را از تغییرات زمانی کوچک ناشی از این امواج فضا-زمان آگاه کنند.
ارتباط میان گرانش و زمان به این معنی است که این فناوری می‌تواند به پژوهشگران در ردیابی رویدادهای آتشفشانی و لرزه‌ای در زمین و کشف اقیانوس‌های پنهان در جهان‌های بیگانه کمک کند. به گفته‌ی یی ساعت‌های توری نوری حتی می‌توانند برای جست‌وجوی ماده‌ی تاریک گریزان هم مؤثر باشند.
یی گفت: «ماده‌ی تاریک باید به گونه‌ای به جز فیزیک گرانشی با ماده‌ی معمولی برهم‌کنش داشته باشد. ما می‌خواهیم بتوانیم امضاهای بسیار ضعیفی از یک جزء ماده‌ی تاریک احتمالی را با ماده‌ی معمولی که در زمین می‌شناسیم طی آهسته یا سریع شدن ساعت هنگام اثرگذاری ماده‌ی تاریک مشاهده کنیم. بنابراین در حال آماده‌سازی آزمایش‌هایی در این زمینه هستیم.»
جایزه‌ی پیشرفت چشمگیر
جایزه‌ی سالانه‌ی پیشرفت، برای خط‌شکنی در علوم و ریاضیات در سال ۲۰۱۲ توسط «مارک زاکربرگ» (Mark Zuckerberg) مؤسس فیس‌بوک، «پریسیلا چان» (Priscilla Chan)، «سرگی برین» (Sergey Brin) هم‌بنیان‌گذار گوگل، «آن وجسکی» (Anne Wojcicki) و «یوری میلنر» (Yuri Milner) و «جولیا ملینر» (Julia Milner) تأسیس شد. این جایزه به ارزش تقریبا سه برابر نوبل، گران‌ترین جایزه در علم است.
جایزه‌ی خط‌شکنی تحقیقات پیشرو در علوم زندگی، ریاضیات و فیزیک بنیادی را به رسمیت می‌شناسد. به گفته‌ی نمایندگان این جایزه با هدف بالا بردن سطح فرهنگی علم و فناوری و الهام بخشیدن به کودکان برای ادامه‌ی فعالیت در یان زمینه‌ها انجام می‌شود.
امسال جایزه‌ی ۳ میلیون دلاری پیشرفت در علوم زندگی به یکی از پژوهشگران شناخته‌شده در زمینه‌ی مهندسی RNA اهدا شد که به توسعه‌ی سریع واکسن‌های کووید-۱۹ کمک کرده است. یک برنده هم برای پیشرفت در زمینه‌ی ریاضیات معرفی شد و یاتوری و یی هم برای ساعت اتمی توری نوری، جایزه‌ی پیشرفت در زمینه‌ی فیزیک بنیادی را به‌طور مشترک برنده شدند.
امسال بنیاد جایزه‌ی پیشرفت جایزه‌ی ۱۰۰ هزار دلاری افق‌های نو را هم به پژوهشگران اولیه‌ی کار اعطا کرد. از جمله یکی از این جوایز برای سرپرستی و ایجاد مشاهدات الکترومغناطیسی منابع امواج گرانشی و سرپرستی استخراج اطلاعات کامل از نخستین برخورد مشاهده شده‌ی دو ستاره‌ی نوترونی، به چهار دانشمند اختصاص یافت. در مجموع این بنیاد امسال ۱۵٫۷۵ میلیون دلار جایزه اهدا می‌کند.
عکس کاور: شبیه‌سازی امواج گرانشی ایجاد شده در پی ادغام دو سیاهچاله به‌عنوان یکی از کاربردهای ساعت اتمی توری نوری که برنده‌ی جایزه‌ی پیشرفت امسال شد.
Credit: C. Henze/NASA Ames Research Center
منبع: Space
