ثابت‌های بنیادی فیزیک، کمیت‌هایی‌اند که با تغییر مکان یا زمان، بی‌تغییر انگاشته می‌شوند. در سال 1937 با طرح از سوی پائول دیراک، فرض جهانشمولی و ناوردایی ثابت‌های بنیادی در طول عمر عالم به پرسش گرفته شد. تاکنون مدرکی برای رد این فرض به دست نیامده‌است.

نوسان مولکولی وقتی رخ می‌هد که اتم‌ها در مولکول در یک حرکت دوره‌ای باشند، در حالی که مولکول به عنوان یک کل، حرکت انتقالی و چرخشی ثابتی دارد. بسامد نوسان مولکولی، نوعاً حدود 10¹² تا 10¹⁴ هرتز است.

آیا ثابت‌های بنیادی، واقعاً در طی زمان و فضا ثابت‌اند؟ پاسخ به این پرسش، نیازمند اندازه‌گیری کمیت‌هایی مثل نسبتِ جرمیِ الکترون-پروتون با دقتِ فوق‌العاده است. یک روش برای این منظور، جست‌وجویِ تغییراتِ کوچک در بسامدهایِ نوسانیِ مولکولی است؛ ولی اندازه‌گیری‌های بهبود یافته، نیازمند نسل جدیدی از ساعت‌هاست. ساعت سزیوم، با عدم قطعیتی در حدود چند بخش در 10¹⁶، مناسب‌ترین ساعتِ اتمی برای چنین آزمایش‌هایی‌ست.

استفان شیلر¹ و هم‌کارانش از دانشگاه هاینریش هاینه² در دوسلدورفِ آلمان، با چاپ مقاله‌ای در Physical Review Letters پیش‌نهاد دادند که ساعت‌هایی بر پایه‌ی برخی مولکول‌های ساده‌تر (هیدورژن مولکولی H₂⁺ و هیدروژن-دوتریوم HD⁺) می‌تواند به پژوهش‌‌گران اجازه دهد که با اجرای بهینه‌ی طرح‌های موجود بر پایه‌ی گذارهای اتمی، به عدم قطعیتی از مرتبه‌ی 1×10⁻¹⁷ دست یابند.

مولکول‌های هیدروژن‌گونه‌ی یک‌الکترونی، یک مزیت کلیدی دارند: می‌توان ویژگی‌های‌شان را با دقت بالا محاسبه کرد؛ که این امکانِ گزینشی بهینه از بسامدهای گذار مولکولی را فراهم می‌آورد. پیچیدگی یک مولکول نسبت به یک اتم، که شاید شبیه یک اشکال به نظر بیاید، در واقع می‌تواند میزانِ دقت را بهبود بخشد: زیرمجموعه‌ای از تعداد زیادی خطوط گذار مولکولی، می‌تواند حساسیت خیلی کمی به میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی خارجی نشان دهد. پژوهش‌گران فوت‌وفن دیگری را هم به کار می‌گیرند: روش «بسامد مرکب³» که در آن، بسامدِ یک ساعت، از مجموع وزنی ضریب‌های این بسامد‌های غالب⁴ به دست می‌آید. جابه‌جایی‌های ناشی از افت‌وخیز در این گذارها، مقادیر متفاوتی دارند؛ و بنابراین هم‌دیگر را خنثی می‌کنند. لذا می‌توان به یک بسامد مرکب با دقتِ بهبودیافته‌تر دست یافت.

محاسبات نویسندگان مقاله، نشان می‌دهد که یک ساعت چندگذاری بر پایه‌ی HD⁺ و H₂⁺، در قیاس با یک ساعت تک‌گذاری، به ترتیب 60برابر و 3برابر بهبودِ دقت از خود نشان می‌دهند و به عدم قطعیت 5×10⁻¹⁸ و 2×10⁻¹⁷ می‌رسند. این امر به بهای پیچیدگی اضافی ناشی از منابع طیف‌سنجی چندگانه‌ی مورد نیاز برای عمل‌کرد ساعت، به دست می‌آید. ولی آزمایش‌های اولیه در آزمایش‌گاه نویسندگان مقاله نشان می‌دهد که راه‌اندازی چنین طرح‌هایی، از نظر فنی امکان‌پذیر است.

1 Stephan Schiller

2 Heinrich Heine University

3 composite frequency

4 robust frequencies

منبع:

Simple Molecules for Accurate Clocks

مرجع:

Simplest Molecules as Candidates for Precise Optical Clocks

S. Schiller, D. Bakalov, and V. I. Korobov

Phys. Rev. Lett. 113, 023004 (2014)

Published July 8, 2014