الساعة الذرية

الساعة الذرية (بالإنكليزية: atomic clock) هي أحد أنواع الساعات التي تعتمد تردد الرنين الذري لضبط الوقت وتستخدم لمعايرة (علم قياس) الثانية وتعتبر الساعات الذرية أدق ساعات توقيت حتى الآن حيث يصل مقدار الخطأ ثانية كل 3 ملايين سنة تقريبا وفقا للإحصائيات الحديثة، الأمر الذي جعل منها معيارا للتوقيت العالمي.

تعتمد فكرة عمل الساعات الذرية على الإشعاع الراديوي ضمن نطاق الميكرويف للذرات وليس كما يعتقد البعض على النشاط الإشعاعي. تنجم هذه الإشارات الراديوية عن تغير مستويات الطاقة في الذرة وبالتحديد عند انتقال الإلكترونات من مستوى أعلى إلى مستوى أدنى. يعتبر عنصر السيزيوم من أوائل العناصر التي استعملت في الساعات الذرية حين تم الاتفاق على تعريف الثانية عام 1967 على أنها الفترة اللازمة لـ9,192,631,770 ذبذبة كاملة (دورة) من الإشعاع الذي يقابل انتقال الإلكترونات بين مستويين من الطاقة في ذرة السيزيوم-133. مع أن هذا التعريف قد تم الاستعاضة عنه بالتعريف الضوئي للثانية بسبب النظرية النسبية إلا أن التعريف التقليدي لا زال صحيحا كون القياسات مستخدمة في إطار المجموعة الشمسية (نفس الإطار مرجعي).

يمكن فهم الجزء المبسط في عمل الساعة الذرية كما يلي: تحتوي الساعة الذرية على فجوة معدنية تتناسب مع موجات الميكروويف, بها غاز. هذه الفجوة قابلة للضبط بدقة عالية بحيث تتناسب مع أضخم إشارة تردد ناشئة داخل الفجوة ويبدأ الرنين المتذبذب بالنمو. تستغرق هذه العملية بعض الوقت حتى تستقر عملية الرنين الترددي وتصبح الساعة الذرية جاهزة للعمل على الدوام.

في الواقع هناك تعقيدات كثيرة في تصميم دوائر التحكم في الساعة الذرية ومالشرح السابق إلا تلميح بسيط لمبدأ العمل.

أشهر أنواع الساعة الذرية هي ساعة السيزيوم, ساعة الروبيديوم وهي أقل دقة من ساعة السيزيوم ولكن بالمقابل أرخص بكثير. تصل قيمة الساعة الذرية المصممة بالسيزيوم إلى آلاف الدولارات بينما يمكن للساعة الذرية المصممة من الروبيديوم أن تتوفر للشركات بمبالغ تصل إلى 200 دولار أميريكي. تطورت دقة الساعة الذرية منذ الستينات حتى اليوم, كانت الدقة حوالي 10-9 (خطأ ثانية كل 300 سنة) حتى أصبحت 10-14 (خطأ ثانية كل 3 ملايين سنة)مع بداية الألفية الثانية. أما الأحجام فما زالت كبيرة نوعا ما حيث أن أصغر الأحجام الممكنة حوالي (10سم×10سم×10سم). من ناحية أخرى, تستهلك هذه الساعات قدرة لاتتجاوز المائة ميلي وات.
دقة الساعة الذرية

في المتوسط تبلغ دقة الساعة الذرية بحدود 1 نانو ثانية في اليوم أي ما يعادل خطأ مقداره ثانية كل 2.7 مليون سنة.

في سويسرا، بدأت الساعة الذرية FOCS 1 والمصنوعة من السيزميوم المبرد باستمرار عملها رسميا عام 2004 و يقدر مقدار الخطأ بحدود ثانية واحدة كل 30 مليون سنة.
تطبيقات

تستعمل الساعة الذرية في الكثير من خوادم الوقت Time Servers وهي نوعان, الأول به ساعة ذرية مستقلة (باهظة الثمن) بينما الأخير يستطيع إعادة ضبط الوقت عبر أقمار الجي بي إس الصناعية GPS. كما أنها تستعمل في التطبيقات التي تتطلب مقاييس زمنية غاية في الدقة مثل أقمار تحديد الإحداثيات GPS, الاتصالات السلكية واللاسلكية والشبكات الضوئية.