تعالوا نتعرف على ( الثانية الذرية ) وهو التوقيت المستند إلى ظواهر كمومية quantiques. فمن المعروف أن قيم طاقة ذرة أو جزيء ما تؤلف سلسلة منفصلة من المستويات- وما هو المعيار الذري للتردد على أساس السيزيوم – وما هو التوقيت الذري الدولي والتوقيت العالمي المتوافق

الثانية الذرية

وضع إيجاد الثانية الذرية حدَّاً لغلبة التوقيت الفلكي المغرق في القدم، إذ حل محله التوقيت المستند إلى ظواهر كمومية quantiques. فمن المعروف أن قيم طاقة ذرة أو جزيء ما تؤلف سلسلة منفصلة من المستويات. ولدى الانتقال بين مستويين يظهر الفرقُ بين طاقتيهما ΔE بصورة إشعاع كهرمغنطيسي تردُّده (ν) يحقِّق علاقة بلانك[ر] Planck وهي: ΔE =hν (حيث h ثابتة بلانك قيمتها العددية هي 6.6262×10-34جول ثانية). استُعمل في معايير التردد الذرية الأولى الانتقالُ بين مستويين اهتزازيين لجزيء الأمونياك NH3، ثم استعمل الانتقال بين مستويات البنية الفائقة الدقة لذرات الهدروجين H أو السيزيوم Cs أو التاليوم Tl أو الروبيديوم Rb. وفي علم الطيوف يوصف انتقال بأنه «فائق الدقة» transition hyperfine حين ينجم عن تغير التفاعل المغنطيسي بين نواة الذرة وغمامتها الإلكترونية، ولا يمكن أن يحدث مثل هذا الانتقال إلا إذا كان للنواة عزم مغنطيسي غير منعدم.

وبدأ استخدام معايير التردد الذرية على أساس السيزيوم قُبيل عام 1960. ففي عام 1958 قُدِّر تردُّد الانتقال لهذا العنصر مقارنة بالثانية بأنه يساوي 9192631770±20هرتز، وأوصت اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس باستخدام هذه القيمة بغية توفير الانسجام في قياس الزمن في الفيزياء. ولم يُعتمد التعريف الذري للثانية رسمياً إلا عام 1967، حين جرى التوثُّق على نحو قاطع من أفضلية معيار التردد على أساس السيزيوم في تعريف وحدة الزمن على كل ما عداه.

المعيار الذري للتردد على أساس السيزيوم

توجد عدة معايير مختبرية دقيقة يجري تحسينها باستمرار، كما توجد مئات المعايير التجارية التي تتمتع بالقدر نفسه من الدقة تقريباً، وكلها تعمل وفق المبدأ التالي: تُرسل حزمة من ذرات السيزيوم في الخلاء حيث تحرفها حقول مغنطيسية انحرافين يجري في كل منهما فصل الذرات التي تكون موجودة في إحدى الحالتين المختلفتين للانتقال الفائق الدقة إلى الحالة الأساسية (أي إلى الحالة الدنيا التي طاقتها أخفض ما يمكن، وهي أكثر حالات الغمامة الإلكترونية استقراراً). ومن جهة أخرى يولَّد بوساطة هزاز من الكوارتز ومولد ترددات إشعاع كهرمغنطيسي تردّده هو تردّد انتقال السيزيوم نفسه. ويؤثَّر بهذا الإشعاع في حزمة ذرات السيزيوم التي بين الحارقين المغنطيسيين. فإذا تطابق تردّد الإشعاع تماماً مع تردّد الانتقال، حدث هذا الانتقال بالتجاوب résonance على نحو يمكن كشفه بعد الانحراف المغنطيسي الثاني. وهكذا يتم ضبط تردّد هزَّاز الكوارتز بطريقة يصير معها هذا التجاوب أعظمياً. ويمكن القول إنه يستفاد من ذرّة السيزيوم للتحكم في التطابق بين تردّد هزّاز الكوارتز وتردّد الانتقال الذي يُعرِّف الثانية. ويجري هذا التطابق في الأجهزة التجارية آلياً إذ يجري الحفاظ على أن يكون عمل هزاز الكوارتز دقيقاً دائماً، فيؤلف بذلك ميقاتية تكاد تكون في غاية الكمال. وتكون الدقة هنا أفضل مئة مرة مقارنة بالثانية التقويمية، وهذه أفضل عشرة آلاف مرة مقارنة بالثانية الشمسية. وفضلاً على ذلك، فالثانية المضبوطة جاهزة ولا يحتاج الحصول عليها إلى أشهر أو سنين من الرصد الفلكي والحسابات بل يجري ذلك في الحال.

التوقيت الذري الدولي والتوقيت العالمي المتوافق

يتألف سلم ذري للتوقيت بتراكم متوالية مستمرة من الثواني الذرية، وبدئ بهذا منذ عام 1955. وقد طلب المؤتمر العام للمكتب الدولي للأوزان والمقاييس في عام 1971 إنشاء سلم توقيت ذري دولي TAI أنجزه المكتب الدولي للساعة الكائن في مرصد باريس على أساس مؤشرات الميقاتيات الذرية التي تعمل في مختلف المؤسسات في العالم. ويجري نقل المعلومات إما بالراديوم أو بنقل الميقاتيات نفسها. إن التوقيت الذري الدولي هو ما يستخدم في العلوم، لكن استخدامه لا يلائم تماماً الحياة العادية التي عليها أن تستمر في انتظامها معتمدة على الشمس والنجوم. وهذا ينطبق بوجه خاص على الملاحين الذين يضبطون مواقعهم برصد النجوم واستخدام ميقاتية تمكنهم من تعيين الوضع الزاوي للقبة السماوية التي تدور ظاهرياً نتيجة لدوران الأرض. فالملاحون يرغبون في الاحتفاظ بالثانية الشمسية وبالتوقيت العالمي TU المقابل لها، وذلك لأن التوقيت العالمي يضبطه دوران الأرض، في حين يبتعد التوقيت الذري الدولي TAI تدريجياً عن التوقيت العالمي TU بسبب تباطؤ دوران الأرض. ولذلك تم الاتفاق على ضبط الإشارات التي تعين الوقت والساعة لكل استخدامات الحياة العادية وفق سلم يدعى التوقيت العالمي المتوافق (Temps Universel Coordonnè) TUC. ويجري الحصول على هذا التوقيت بإضافة ثانية كبيسة إلى التوقيت الذري الدولي TAI في الدقيقة الأخيرة من شهرٍ ما، بحيث يجري الحفاظ على توافق يقارب 0.95 من الثانية. فالوقت الذي تشير إليه الميقاتيات العادية هو إذن التوقيت العالمي المتوافق TUC المعدَّل طبعاً حسب المنطقة الزمنية للموقع الجغرافي، أي إن للثانية بالضبط المدة نفسها كما للثانية الذرية، ودقات ثواني التوقيت العالمي المتوافق TUC والتوقيت الذري الدولي TAI تتطابق، وما يختلف هو ترقيم الثواني وحسب. فعلى سبيل المثال، كانت اللحظة: الساعة صفر والدقيقة صفر والثانية 12 من اليوم الأول من كانون الثاني (يناير) لعام 1973 حسب التوقيت الذري الدولي TAI، تقابل، حسب التوقيت العالمي المتوافق TUC: الساعة صفر والدقيقة صفر والثانية صفر. أما في الأشهر الستة السابقة لذلك التاريخ فكان الفرق بين التوقيتين 11 ثانية بدلاً من 12. والدقيقة الأخيرة من شهر كانون الأول (ديسمبر) 1972 احتوت على 61 ثانية في التوقيت العالمي المتوافق TUC.

يقوم المكتب الدولي للساعة بتجميع الأرصاد الفلكية، ويضع التوقيت العالمي TU النهائي بناء على حساب المتوسطات، ويُقرِّر الثواني الكبيسة ويُعلن عنها مسبقاً، ويجمع مؤشرات الميقاتيات الذرية ويضع التوقيت الذري الدولي TAI، وبذلك يضع التوقيت العالمي المتوافق TUC أيضاً.

نُشرت بواسطة

فريد ظفور

مصور محترف حائز على العديد من الجوائز العالمية و المحلية في مجال التصوير الفوتوغرافي.