سنجه‌ی دقیق زمان

زمین، مدت‌ها قبل از اینکه حیات در روی آن پدیدار شود، دست خوش تناوب‌های مشخصی مثل تغییر روز به شب و تغییر فصول بوده است. این تناوب‌ها تأثیر عمیقی بر تحول اندام‌های بیولوژیکی داشته‌اند؛ بیشتر جانوران تحت‌تأثیر یک دوره‌ی شبانه‌روزی‌اند که تقریباً در هر 24 ساعت نیاز به خواب را در آن‌ها پدید می‌آورد، حتی اگر در یک محیط بسته و فارغ از تغییرات متناوب روشنایی قرار گرفته باشند. ناراحتی جسمی و روحی که در طی فاصله‌های زیاد به طرف شرق یا غرب به مسافران هواپیما عارض می‌شود نشان‌دهنده‌ی مشکلی است که انسان در تنظیم ساعت‌های بیولوژیکی درونی خود با آن مواجه است. تناوب در محیط فیزیکی و در ماهیت بیولوژیکی انسان، بی‌گمان در برداشت او از مفهوم زمان تأثیر داشته است. این برداشت به نوبه‌ی خود با توانایی اندازه‌گیری زمان به نحوی تنگاتنگ درآمیخته است، و از بعضی جهات معنی زمان به واسطه‌ی روش‌های به کار برده شده در اندازه‌گیری آن تعریف می‌شود. هر ساعتی اساساً از سه جزء تشکیل می‌شود: سازوکاری برای فراهم کردن یک تناوب منظم، مثل گردش زمین یا حرکت آونگ؛ یک منبع انرژی برای پایا نگه‌داشتن حرکت، بی‌آنکه تأثیر مهمی بر دوره‌ی تناوب بگذارد؛ و همچنین وسیله‌ای برای شمارش دوره‌ها و نشان دادن زمان. برای توصیف مشخصات یک ساعت، لازم است که سه ویژگی متفاوت ولی مرتبط با یکدیگر، یعنی دقت، قابلیت بازتولید، و پایداری را از هم متمایز کنیم. دقت معیاری است برای تطابق ساعت با مقدار مشخصی که واحد زمان تعیین می‌کند. قابلیت باز تولید معیاری است برای توافق وسیله‌های مستقلی که طرح و تنظیم یکسانی دارند. پایداری معیار یکسان بودن نتایج در بازه‌های زمانی متوالی است. چون پایداری و دقت همه‌ی شاعت‌ها اصولاً توسط سازوکاری که تناوب را ایجاد می‌کند تعیین می‌شود، در بحث‌های اندازه‌گیری دقیق زمان روی این جنبه‌ها تأکید می‌شود. طی قرون متمادی از وسیله‌ها و سازوکارهای گوناگونی به عنوان منبع تناوب برای اندازه‌گیری زمان استفاده شده است. بسیاری از بناهای ماقبل تاریخ در جهتی ساخته شده‌اند که انقلاب تابستانی را آشکار کنند. انسان اولیه برای تقسیم روز به واحدهای کوچکتر، از شاخص‌ها (ساعت‌ها)ی آفتابی استفاده می‌کرد؛ با پیشرفت تمدن، این شاخص‌ها جای خود را به شاعت‌های آبی، ساعت‌های شمعی، و ساعت‌های شنی دادند که خطای بیشتر آن‌ها از هزار ثانیه در روز بدتر بود. چون یک روز تقریباً 105 ثانیه دارد، این خطا متناظر با یک درصد (
) است. گفته شده است که در سال 962/1583 گالیله حرکت یک چراغ آویزان را با نبض خود مقایسه کرد و دریافت که زمان تناوب آن تقریباً از دامنه‌اش مستقل است. این مشاهده‌ی پایه‌ی علمی کاربرد آونگ در ساعت‌ها را فراهم کرد. گرچه گالیله به ارزش کشف خود برای زمان‌سنجی پی‌برده بود، اما 73 سال بعد از این کشف بود که دانشمند و ساعت ساز آلمانی، کریستیان هویگنس، سازوکار مناسبی به نام رقاصک برای حفظ نوسان‌ها اختراع کرد و نخستین ساعتی را که با آونگ کنترل می‌شد ساخت. البته آنروز‌ها انتقال تکنولوژی سریع نبود؛ بیست سال طول کشید تا هویگنس توانست از تلفیق بعضی نظریات رابرت هوک با سازوکار رقاصک ابداعی خودش ساعتی بسازد که تناوب آن با حرکت نوسانی یک چرخ تعادل متصل به یک فنر مارپیچ تعیین می‌شد. این ساعت پیشگام ساعت‌های مبتنی بر چرخ تعادل و فنر بود. ساعت‌های آونگی تا دو قرن و نیم بعد دقیقترین وسیله‌ی زمان سنجی بودند. با کوشش‌هایی که برای حذف اثر تغییرات محیط (مثل دما) به عمل می‌آمد، تا قرن بیستم دقت ساعت‌های آونگی و چرخ تعادلی روزبهروز بیشتر شد. در اواسط قرن بیستم، پایداری بهترین ساعت‌های آونگی گرانشی در حدود بود.

ساعت‌های بلور کوارتز

زمان و بسامد با هم رابطه‌ی نزدیک دارند زیرا بسامد، بنا به تعریف، تعداد نوسان‌ها در واحد زمان (هرتز) است. اندازه‌گیری، دقیق زمان، به شرط شمارش صحیح نوسان‌ها، اندازه‌ی بسامد را به همان دقت به دست می‌دهد؛ و به عکس هر وسیله‌ای نوسان کننده با تسامد پایا می‌تواند منبع تناوب‌هایی باشد که به وسیله‌ی ساعت اندازه‌گیری می‌شوند. ساعت‌های اولیه، همان‌طور که دیدیم اصولاً برای اندازه‌گیری گذشت زمان ساخته شده بودند، اما، انگیزه‌ی اصلی ساخت دیاپازون‌ها، نوسانگرهای بلور کوارتز، و ساعت‌های اتمی، اندازه‌گیری بسامد بود. از حرکت‌های نوسانی یک جسم مرتعش بسامد یا دوره‌ی تناوبی به دست می‌آید که می‌توان بر مبنای آن ساعت ساخت. حفظ حرکت‌های ارتعاشی در بیشتر مواد مشکل است، ولی بعضی بلورها خاصیت پیزو الکتریسیته (یا به عبارتی الکتریسیته‌ی فشاری) دارند که به این امر کمک می‌کند. پیزو الکتریسیته عبارت از قطبشی است که در اثر کرنش مکانیکی در این بلورهای خاص حاصل می‌شود، و همچنین عکس این اثر است که وقتی بلوری از نظر الکتریکی قطبیده می‌شود ابعاد آن تغییر می‌کند. بلوری که خاصیت پیزوالکتریسیته داشته باشد اگر با یک مدار الکترونیکی جفت شود می‌تواند ارتعاش‌ها را پایا نگه‌دارد و آن‌ها را بشمارد. این پدیده در سال 1259/1880 توسط پییرو ژاک کوری کشف شد و بلورهای پیزوالکتریکی بعداً توسط نیکلسون و کادی در نوسانگرهای الکترونیکی به کار گرفته شدند، اما تازه در سال 1307/1928 بود که نخستین ساعت با بلور کوارتز توسط هورتون و موریسون ساخته شد. در میان بلورهای شناخته شده، تک بلورهای کوارتز (سیلیسیم دیوکسید SiO2 به خاطر خواص پیزو الکتریکی، سختی، اتلاف داخلی کم، دوام، یکنواختی، دسترس پذیری در ابعاد نسبتاً بزرگ، و برش‌پذیری به صورت لایه‌های نازک که بسامدهای مشخصه‌ی آن‌ها تقریباً مستقل از دماست، از همه مناسبترند. بهترین ساعت‌های کوارتزی فوق‌العاده پایدارند ( ) ، اما از نظر قابلیت باز تولید خیلی ضعیف‌اند ( ) ، و دقت آن‌ها از این هم بدتر است، زیرا بلورهای جدید را معمولاً باید به طور تجربی با بسامدهای استاندارد دیگر مقابله کرد. با این‌همه ساعت‌های کوارتزی این مزیت را به وسایل دقیق‌تر و پایدارتر دیگر دارند که ارزان قیمت و سبک وزن‌اند؛ علت رواج ساعت‌های مچی کوارتزی هم همین است. انطباق نوسانگرهای کوارتزی با ساعت‌های کوچک مستلزم نوآوری‌های عمده‌ای بوده است؛ یکی از آن‌ها برش بلور به شکل دیاپازون است تا بتواند دوره‌ی تناوب (طبیعی) مناسب را در بلوری با ابعاد کوچک ایجاد کند.

ساعت‌های اتمی

ساعت‌های کوارتزی پایداری قابل ملاحظه‌ای دارند، اما بیشترین دقت، قابلیت بازتولید، و پایداری، متعلق به ساعت‌های اتمی است که فعلاً تعریف ثانیه به عنوان واحد زمان مبتنی بر آن‌هاست. ارتعاشی که در ساعت‌های اتمی اندازه‌گیری می‌شود ناشی از برهم‌کنش مغناطیسی هسته‌ی (سنگین) اتم با الکترون‌های (سبک) آن است. هسته‌ی بیشتر اتم‌ها مثل عقربه‌ی آهنربا مغناطیده است. درست مثل یک فرفره‌ی چرخان که کمی کج قرار می‌گیرد و محور آن در اثر گرانش حول راستای قائم حرکت تقدیمی انجام می‌دهد، هسته نیز حول میدانی که الکترون‌ها ایجاد کرده‌اند حرکت تقدیمی انجام می‌دهد. بسامدهای تقدیمی و تکانه‌های زاویه‌ای به بهترین نحو با استفاده از مکانیک کوانتومی توصیف می‌شوند. برای اتم‌های موادی که معمولاً در ساعت‌های اتمی به کار می‌روند، فقط دو حالت مجاز برای جهت‌گیری نسبی تکانه‌ی زاویه‌ای هسته و تکانه‌ی زاویه‌ای الکترون‌ها وجود دارد؛ یکی وقتی که این تکانه‌ها تا حد امکان موازی‌اند و دیگری وقتی که تا حد امکان پاد موازی‌اند. اگر اختلاف انرژی این دو حالت W1-W2 باشد، بسامد تقدیمی کلاسیکی با بسامد کوانتومی متناظر است. چون این بسامد تقدیمی داخلی نخستین بار در طیف‌نمایی اپتیکی به صورت یک شکافتگی بسیار کوچک در خطوط طیفی مشاهده شده است، غالباً بسامد فوق‌ریز نامیده می‌شود. این بسامد توسط آن خواصی از اتم که از لحاظ زمانی ثابت‌اند (به استثنای تغییرات کوچک ناشی از میدان‌های نتغیر الکتریکی و مغناطیسی خارجی) تعیین می‌شود، و بنابراین مبنای بسیار خوبی برای یک ساعت بسیار دقیق فراهم می‌کند. اما امکان ساخت چنین ساعتی مستلزم آن است که وسیله‌ی مناسبی برای مشاهده و شمارش این نوسان‌های اتمی داخلی وجود داشته باشد. نخستین روش برای اندازه‌گیری دقیق بسامدهای فوق ریز از تشدید مغناطیسی باریکه‌ی مولکولی فراهم شد. این روش در سال 1316/1937 توسط رابی و همکارانش ارائه شد. در این روش دستگاه تا فشار کمتر از تور تخلیه می‌شود تا از برخورد اتم‌ها با گاز زمینه جلوگیری شود. در اغلب موارد اتم‌های سزیم به کار گرفته می‌شوند. این اتم‌ها در یک کوره به حد کافی گرم می‌شوند و فشار بخار آن‌ها آنقدر بالا می‌رود که تعداد قابل ملاحظه‌ای از آن‌ها می‌توانند از روزنه‌ی کوره خارج شوند و یک باریکه تشکیل بدهند. این باریکه در میدان ناهمگن یک آهن‌ربا منحرف می‌شود، زیرا اندازه‌ی نیروی وارد بر قطب شمال گشتاور مغناطیسی دو قطبی الکترون‌ها با اندازه‌ی نیروی وارد بر قطب جنوب آن‌ها متفاوت است. سپس باریکه ضمن عبور از قسمت اصلی دستگاه تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی ایستای ضعیف و یک میدان مغناطیسی نوسانی قرار می‌گیرد که عمود بر اولی و از آن هم ضعیف‌تر است. در خارج از ناحیه‌ی این میدان اتم‌ها مجدداً تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی ناهمگن دیگر منحرف می‌شوند. سپس باریکه به سیم داغ یوننده در آشکار ساز برخورد می‌کند؛ هر اتم یک الکترون از دست می‌دهد و به یک یون مثبت تبدیل می‌شود و این یون‌ها به طور الکتریکی شمارش می‌شوند. اگر بسامد میدان مغناطیسی نوسان کننده برابر با بسامد فوق ریز (در معادله‌ی بالا) باشد، سمتگیری تکانه‌ی زاویه‌ای اسپینی الکترون‌ها توسط میدان نوسانی تشدید کننده وارونه می‌شود، نیروی وارد بر اتم نیز وارونه می‌شود، و باریکه مسیری را که گفته شد طی می‌کند و بیشترین شدت در آشکارساز ثبت می‌شود. اما اگر بسامد میدان نوسان کننده با بسامد فوق ریز خیلی فرق داشته ریز باشد سمتگیری تشدیدی گشتاور مغناطیسی الکترون‌ها صورت نمی‌گیرد و باریکه در اثر میدان مغناطیسی ناهمگن دوم به طرف پایین کشیده می‌شود، و در نتیجه آشکارساز شدت کمتری را ثبت می‌کند. بنابراین شدت آشکار شده را می‌توان از طریق یک مدار پس خوراند معمولی برای تنظیم مختصر بسامد نوسانگر بلور کوارتز به کار برد و به این ترتیب میدان مغناطیسی نوسان کننده‌ای را که گذارهای اتمی را القا می‌کند فراهم کرد. به این طریق بسامد نوسانگر در بسامد تقدیمی داخلی پایدار می‌شود. در روش تشدید رابی، میدان مغناطیسی نوسان کن در تمام ناحیه‌ی میدان ساکن به طور یکنواخت گسترده بود. اما من در سال 1949 نشان دادم که متمرکز کردن میدان مغناطیسی نوسان کننده در دو ناحیه‌ی کوچکتر در ابتدا و انتهای میدان ساکن مزیت‌های زیادی دارد. در این صورت تشدیدها خیلی باریکتر می‌شوند و جابه‌جایی مرتبه‌ی اول دوپلر حذف می‌شود. (جابجایی مرتبه‌ی اول دوپلر برای امواج الکترومغناطیسی شبیه به افزایش بسامد صدای سوت قطاری است که به ناظر نزدیک می‌شود؛ این افزایش مربوط به تراکم امواج هنگام نزدیک شدن منبع به ناظر است. جابه‌جایی مرتبه‌ی دوم دوپلر خیلی کوچکتر از جابه‌جایی مرتبه‌ی اول است، و ناشی از اثر معروفی است که در نظریه‌ی نسبیت خاص توضیح داده می‌شود: ساعت‌های متحرک کندتر کار می‌کنند.)
اگر چه رابی و همکارانش امکان ساخت ساعت‌های اتمی را قبل از سال 1945 مطرح کردند، اما دستیابی به دقت فعلی مستلزم اصلاحات زیادی بود که در سال‌های بعد توسط جرالد زاخاریاس و دیگران به عمل آمد. ساعت اتمی سزیم آنقدر از تمام ساعت‌های قبلی دقیقتر بود که در سال 1967 ثانیه‌ی بین‌المللی را که قبلاً بر اساس حرکت زمین به دور خورشید تعریف می‌شد، برابر با 9192631770 دوره‌ی نوسان اتم سزیم تعریف کردند. در دهه‌ی 1330/1950 وسایل گوناگونی برای تشدید اتمی و مولکولی، به عنوان جانشین‌های احتمالی باریکه‌ی اتمی سزیم طراحی شدند. مؤثرترین این وسایل شامل اتم‌هایی مثل روبیدیم بودند که همراه با یک گاز محافظ خنثی مثل هلیم در بطری‌هایی قرار داشتند که سطح داخلی‌شان با مومهایی شبیه به دوتریاکنتان (C32H66) پوشیده شده بود. این اتم‌ها با دمش اپتیکی توسط نور قطبیده‌ی دایروی به حالت‌های مرجح در می‌آمدند. تاؤنز و دیگران میزرهای آمونیاک (NH3) را طراحی کردند (میزر وسیله‌ای برای تقویت میکرو موج‌ها توسط گسیل تحریکی تابش است). هیچکدام از این وسایل از نظر دقت به پای ساعت‌های باریکه‌ی سزیمی نمی‌رسد، اما در مواردی که دقت کمتر کافی باشد معمولاً از ساعت روبیدیمی با دمش اپتیکی استفاده می‌شود، که هم ارزانتر و هم سبکتر است. برای مقاصد متعدد، از جمله اندازه‌گیری در نجوم رادیویی که نیازمند بیشترین پایداری ممکن در مدت‌های چند ساعتی است، بهترین ساعت‌های موجود میزرهای هیدروژن اتمی‌اند که آن را دانیل کلپنر و من در سال 1960 اختراع کردیم. یک تخلیه‌ی الکتریکی شدید در منبع، هیدروژن مولکولی H2 معمولی (موجود در بازار) را به هیدروژن اتمی (H) تبدیل می‌کند. اتم‌ها از منبع بیرون می‌آیند و وارد ناحیه‌ای می‌شوند که تا فشار زیر
تور تخلیه شده است. یک باریکه‌ی واگرای اتم‌ها وارد آهنربای حالت گزین می‌شود؛ این آهنربا سه قطب شمال و سه قطب جنوب دارد که یک در میان روی دایره‌ای قرار دارند. میدان مغناطیسی روی محور چنین آهنربایی به علت تقارن صفر است و با زیادشدن فاصله از محور افزایش می‌یابد. ویژگی حالت فوق ریز و کم انرژی هیدروژن اتمی، موسوم به حالت F=0، این است که انرژی آن با افزایش میدان مغناطیسی کاهش می‌یابد. درست مثل گلوله‌ای که از سراشیبی پایین می‌غلتد تا به‌جایی برود که انرژی آن کمتر است، اتم‌های هیدروژن در حالت کم انرژی هم از محور دور می‌شوند و به نقاطی می‌روند که انرژی‌شان در آن‌جا از این هم کمتر است، یعنی باریکه‌ی این اتم‌ها متفرق می‌شود. به عکس، بیشتر اتم‌های واقع در حالت پر انرژی F=1 به طرف محور رانده می‌شوند و به این ترتیب همین اتم‌ها کانونی می‌شوند. اتم‌های واقع در حالت پر انرژی از طریق یک روزنه‌ی کوچک وارد سلول مخزن می‌شوند؛ این سلول حبابی است با قطر 15cm، و سطح داخلی آن با تفلون پوشیده شده است. اگر این اتم‌ها در معرض تابش میکروموج در بسامد فوق ریز قرار بگیرند، اتم‌های بیشتری از حالت پر انرژی‌تر به حالت کم انرژی‌تر می‌روند و انرژی آزاد شده تابش میکروموج را تقویت می‌کند، یعنی این وسیله نوعی تقویت کننده، یا یک میزر است. اگر سلول مخزن در یک کاواک تنظیم شده قرار داده شود، دامنه‌ی نوسان در بسامد تشدید زیاد می‌شود تا جایی که به یک مقدار تعادلی برسد و از آن به بعد نوسان دائماً ادامه خواهد داشت. انرژی لازم برای حفظ این نوسان از عارضه‌ی مداوم اتم‌های هیدروژن در حالت کم‌انرژی تأمین می‌شود. میزر هیدروژن اتمی پایداری زیاد و بی‌مانندی دارد که ناشی از ترکیب جنبه‌های مطلوب است. اتم‌ها در سلول مخزن خیلی بیشتر دوام می‌آورند تا در یک دستگاه باریکه‌ی اتمی، و در نتیجه، خط تشدید در مورد اول خیلی باریکتر است. این اتم‌ها هنگام تابش نسبتاً آزاد و نامختل‌اند؛ در حالی که در بیشتر سلول‌های روبیدیمی با دمش اپتیکی، اتم‌ها به طور مکرر با اتم‌های گاز محافظ برخورد می‌کنند. جابه‌جایی مرتبه‌ی اول دوپلر از میان می‌رود زیرا سرعت میانگین اتم‌هایی که به مدت ده‌ها ثانیه در بطری ذخیره شده‌اند و ورود و خروج آن‌ها از طریق روزنه‌ی واحدی صورت می‌گیرد فوق‌العاده کوچک است. سطح نوفه در میزرها، به‌خصوص وقتی که عنصر تقویت کننده‌شان یک تک اتم منزوی باشد، پایین است. نقص عمده‌ی میزر هیدروژن این است که اتم‌ها به تناوب با دیواره برخورد می‌کنند و در نتیجه بسامد فوق ریز را مختصری تغییر می‌دهند که این امر منجر به یک جابه‌جایی دیواره‌ای در حدود می‌شود. جابه‌جایی دیواره‌ای را می‌توان به طور تجربی با استفاده از حباب‌هایی به قطرهای مختلف یا با یک حباب تغییر شکل‌پذیر که نسبت سطح به حجم آن قابل تغییر باشد اندازه‌گیری کرد. این جابه‌جایی چون ثابت است، بیشتر روی دقت میزر اثر می‌گذارد تا روی پایداری آن، در دوره‌های چند ساعتی پایداری میزر هیدروژن بهتر از است.

اصلاحات در آینده

شاید این طور به نظر برسد که برای دقیقتر کردن اندازه‌گیری زمان دیگر جای زیادی باقی نمانده است. اما چنین نیست. در ساعت‌های اتمی می‌توان باریکه‌های لیزری را جانشین آهنرباهای حالت گزین کرد، و با عبور دادن دو باریکه از اتم‌ها از ناحیه‌ی گذار در دو جهت مخالف، می‌توان اثر مزاحم جابه‌جایی فاز را کاهش داد. برای کاهش جابه‌جایی دیواره‌ای و پایدارتر آن، می‌شود برای میزرهای هیدروژن مواد جدید پوششی، از جمله هلیم مایع ابر شاره و روغن‌ها یا گریس‌های تفلون مانند، فراهم کرد. استانداردهای اتمی زمان، مبتنی بر لیزرها و وسیله‌های کوانتومی وابسته، دارند در بسامدهای خیلی بالاتری طراحی می‌شوند. دقت اندازه‌گیری، مستقل از بسامد، بر حسب کسری از یک چرخه (سیکل) تعیین می‌شود، و بنابراین هرچه بسامد بالاتر باشد دقت اندازه‌گیری زمان بیشتر است. جابه‌جایی مرتبه‌ی اول دوپلر زیاد است، اما روش‌های ماهرانه‌ی گوناگونی برای کاهش یا حذف آن مطرح شده‌اند. در طیف‌نمایی جذب اشباع شده و طیف‌نمایی دوفوتونی از دو باریکه‌ی لیزر با بسامد یکسان که در جهت‌های مخالف حرکت می‌کنند استفاده می‌شود تا جابه‌جایی‌های مرتبه‌ی اول حذف می‌شوند. همزمان با گسترش نوسانگرهای پایدار در بسامدهای خیلی بالاتر تلاش‌های زیاد برای چند برابر زیاد کردن یا کم‌کردن این بسامدها صورت گرفته است تا بتوان مقایسه‌های معتبری میان استانداردها در تمام بسامدها انجام داد. اگرچه نمی‌توان یون‌ها را در میدان‌های الکتریکی ایستا به طور پایدار به دام انداخت، اما مدت‌هاست معلوم شده است که می‌توان آن‌ها را در میدان‌های مغناطیسی یکنواخت ایستا که با یک میدان الکتروستاتیکی نایکنواخت مناسب همراه باشد (تله‌ی پنینگ)، یا در میدان‌های الکتریکی نایکنواخت مناسب که قطبیت‌ها و گرادیان‌های آن‌ها به صورت متناوب با بسامدهای رادیویی تغییر می‌کند (تله‌های پاؤل) محبوس کرد. دهملت و همکارانش در کاربرد تله‌ها برای مطالعه‌ی طیف‌نمایی اتمی پیش‌قدم بودند. یون‌ها را می‌توان برای بازه‌های زمانی طولانی در تله‌ها نگه داشت و در مورد آن‌ها اثر دیواره‌ای هم وجود ندارد. بنابراین، یون‌های به دام افتاده به عنوان استانداردهای زمان و بسامد خصوصیات بسیار جالبی خواهند داشت. تا مدتی پیش، سرعت یون‌ها در قله‌ها زیاد و در نتیجه جابه‌جایی دوپلرشان بزرگ بود. اما این تله‌ها اگر با روش سرمایش لیزری (که در زیر شرح خواهیم داد) ترکیب شوند، بسیار مفید و مؤثرند. در همین اواخر، روش‌های گوناگونی برای حبس کردن اتم‌های خنثی با باریکه‌های نایکنواخت لیزری ابداع شده است. نیروها در بعضی موارد از گرادیان میدان الکتریکی باریکه، و در موارد دیگر از تکانه‌ای که اتم در برخورد با فوتون دریافت می‌کند ناشی می‌شوند. گرچه بعضی تله‌ها خیلی ضعیف‌اند، اما با روش‌های سرمایش لیزری می‌توان این نقص را برطرف کرد. سرمایش لیزری روشی است که در آن از یک باریکه‌ی نور برای کاهش سرعت اتم یا یون استفاده می‌شود. این روش اساساً شامل یک باریکه‌ی لیزری است که بسامد آن طوری تنظیم می‌شود که کمی کمتر از بسامد یک گذار شدیداً مجاز تشدیدی باشد. وقتی سرعت اتم یا یون در خلاف جهت باریکه‌ی لیزری است، بسامد نور در چارچوب مرجع یون با جابه‌جایی دوپلری به تشدید نزدیکتر می‌شود، و میزان پراکندگی نور نسبت به وقتی که سرعت در همان جهت باریکه‌ی لیزری است افزایش می‌یابد. چون فوتون‌ها در جهت‌های کتره‌ای باز گسیل می‌شوند، اثر نهایی در یک دوره‌ی حرکت عبارت از کاهش سرعت یون‌ها به علت جذب تکانه‌ی فوتون‌هاست. با استفاده از زوج‌های مختلف‌الجهت باریکه‌های لیزری در امتداد هر یک از سخه محور متعامد، می‌توان یک ناحیه‌ی سه‌بعدی سردشده به وسیله‌ی لیزر به دست آورد که در آن حرکت اتم‌ها خیلی کند است؛ این ناحیه را معمولاً ملاس‌اپتیکی می‌نامند. اتم‌ها با روش لیزر تا زیر 0.0003K هم سرد شده‌اند، و تشدیدهای باریکی با یک تک یون سرماییده و محبوس مشاهده شده است. با سرمایش لیزری نه‌تنها پهن‌شدگی دوپلری مرتبه‌ی اول برطرف می‌شود، بلکه جابه‌جایی مرتبه‌ی دوم دوپلر هم – که در تمام ساعت‌های اتمی تا وقتی به اندازه‌ی کافی سرد نشده باشند وجود دارد – عملاً از میان می‌رود. هنوز خیلی زود است که بگوییم چه نوع ترکیبی از دام‌اندازی و سرمایش مؤثرتر است، اما احتمال زیادی دارد که یکی یا چند تا از روش‌های جدیدی که بررسی کرده‌ایم منجر به تناوب‌های پایدارتری از تناوب‌های قابل حصول فعلی شوند که بتوان از آن‌ها به عنوان مبنای ساعت‌های اتمی باز هم پایدارتر استفاده کرد.

زمان و نسبیت

امروزه اندازه‌گیری زمان به قدری دقیق است که می‌توان آثار نسبیتی را بر ساعت‌ها مستقیماً مشاهده کرد. بنا به نظریه‌ی نسبیت خاص، اگر دو ناظر که هر کدام ساعتی به همراه دارند با سرعت نسبی ثابتی نسبت به یکدیگر حرکت کنند، هر یک از آن‌ها مشاهده می‌کند که ساعت دیگری کند تر از ساعت خودش کار می‌کند. این اثر نسبیتی، با مقایسه‌ی دو ساعت اتمی که یکی از آن‌ها مدتی در یک هواپیمای بسیار سریع در حرکت بوده، عملاً نمایش داده شده است. در نتیجه‌ی این تغییر، مفهوم همزمانی برای دو رویداد در محل‌های مختلف معنی خود را از دست می‌دهد. اگر دو ناظر که نسبت به یکدیگر حرکت می‌کنند دو رویداد در مکان‌های مختلف را مشاهده کنند، یکی ‌شان ممکن است به این نتیجه برسد که رویدادها همزمان‌اند، در حالی که دیگری مطوئن است که همزمان نیستند؛ یا اینکه یک ناظر ممکن است مشاهده کند که رویداد A قبل از رویداد B رخ داده است، در صورتی که ناظر دومی به این نتیجه می‌رسد که رویداد B مقدم بر رویداد A است. اما هرگز ممکن نیست که پس و پیش‌شدن رویدادها به درجه‌ای باشد که علت یک رویداد بعد از خود آن مشاهده شود. شاید به نظر برسد که متفاوت بودن آهنگ ساعت‌ها منجر به چنان ابهام وحشتناکی شود که دیگر مفهوم زمان فایده‌ای نداشته باشد. اما چنین نیست. هر ناظری یک ویژه‌زمان دارد که عبارت از زمانی است که به وسیله‌ی ساعت دقیقی که همیشه همراه خود اوست اندازه‌گیری می‌شود. بنابراین اگر سرعت‌های نسبی ناظرهای مختلف را بدانیم، می‌توانیم ویژه زمان آن‌ها را از روی روابط معروف نظریه‌ی نسبیت خاص محاسبه کنیم. نظریه‌ی نسبیت عام اینیشتین شامل شتاب و گرانش هم می‌شود و دیگر (مثل نظریه‌ی نسبیت خاص) به سرعت‌های نسبی ثابت محدود نیست. یک نتیجه‌ی نظریه‌ی نسبیت عام این است که آهنگ ساعت نه‌تنها بستگی به سرعت ظاهری آن دارد بلکه به پتانسیل گرانشی آن نیز وابسته است؛ مثلاً ساعتی که از زمین دور باشد کمی تندتر از ساعتی که نزدیک زمین است کار می‌کند.

زمان به عنوان تاریخ

کلمه‌ی زمان به دو معنی متفاوت به کار گرفته می‌شود. یکی به معنی بازه‌ی زمانی است، تعداد دقیقه‌هایی که طول می‌کشد تا یک تخم مرغ پخته شود. و همین معنی است که تا اینجا موضوع بحث ما بوده است. زمان به معنی تاریخ نیز به کار می‌رود؛ مثلاً 30 ثانیه بعد از ساعت 2:00 بعدازظهر 12 دسامبر 1987. روشن است که این دو معنی رابطه‌ی نزدیکی با یکدیگر دارند، زیرا دومی هم مدتی است که از یک نقطه‌ی شروع قراردادی تا زمان مورد نظر طول کشیده است. حتی با توافق بین‌المللی در تعریف ثانیه به عنوان واحد زمان و در انتخاب رویداد آغازی مناسبی برای اندازه‌گیری زمان به عنوان تاریخ، پیچیدگی‌های دیگری وارد کار می‌شود که ناشی از آهنگ متغیر چرخش زمین است. اگر روز و سال فقط به وسیله‌ی ساعت اتمی تعریف می‌شد، رابطه‌ی تقویم با خورشید و ستارگان تغییر می‌کرد، و سردرگمی‌ها و مشکلاتی برای اخترشناسان، دریانوردان، و حتی افراد عادی پیش می‌آمد. به همین مناسب است که بنا به توافق بین‌المللی، برای جبران اثر حرکت نامنظم زمین گاهگاه تصحیحاتی (به صورت ثانیه‌های پرشی) اعمال می‌شود. مقیاس بین‌المللی زمان مبتنی بر چیزی است که زمان جهانی هماهنگ (UTC) نامیده می‌شود. آزمایشگاه‌های استانداردهای تعدادی از کشورهای بزرگ نتایج اندازه‌گیری‌هایی را که با ساعت‌های سزیمی خودشان انجام داده‌اند به دفتر بین‌المللی ساعت در پاریس می‌فرستند و در آنجا UTC از میانگین این نتایج تعیین می‌شود. تصحیحات پرشی با اعلام قبلی مناسب در شروع یا وسط سال (هر وقت که لازم شد) انجام می‌شوند، تا اختلاف UTC با زمان دریانوردان هیچوقت از 7/0 ثانیه تجاوز نکند. در سال‌های اخیر، تقریباً هر یک سال و نیم یکبار، یک ثانیه پرشی اعمال می‌شود.
برای اثرهای نسبیتی مختلف در روی زمین و در فضای مجاور آن هم باید تصحیحاتی در نظر گرفت. همان طور که دیده‌ایم، چنین اثرهایی از حرکت چرخشی و مداری زمین، از پتانسیل گرانشی زمین و دیگر اجرام منظومه‌ی شمسی، و از سرعت‌ها و پتانسیل‌های گرانشی ساعت‌ها ناشی می‌شوند. حتی در تعریف همزمانی هم باید دقت کرد. در روی زمین برای اجتناب از ابهام می‌توان از زمان مختصاتی در یک دستگاه بدون چرخشی استفاده کرد و سپس رابطه‌ی میان این مختصه و زمان اندازه‌گیری شده در سطح زمین چرخان را از روی اصول نسبیتی محاسبه کرد.

نیاز به اندازه‌گیری دقیق زمان

ممکن است به نظر برسد که نباید نیازی به اندازه‌گیری‌های چنان دقیق، مثل آن‌هایی که تاکنون انجام شده‌اند، و به طریق اولی آنهایی که قرار است با اصلاحات بعدی انجام شوند باشد؛ اما کاربردهای زیادی وجود دارد که در مورد بعضی از آن‌ها دقتی که با فنون حاصل می‌شود کافی نیست. درست همان‌طور که در نجوم اپتیکی برای مشاهده‌ی امواج نوری ستاره‌ها از تلسکوپ (نوری) استفاده می‌شود، در نجوم رادیویی هم بازتابنده‌های سهموی برای مشاهده‌ی امواج رادیویی به کار گرفته می‌شوند. متأسفانه طول موج این تابش یک میلیون بار بیشتر از طول موج نور است، بنابراین توان تفکیک تلسکوپ رادیویی، بسته به نسبت طول موج به قطر دهانه‌ی تلسکوپ، در حدود یک میلیون بار بدتر از توان تفکیک تلسکوپ نوری است. با این‌همه، اگر دو تلسکوپ رادیویی واقع در دو طرف متقابل زمین هر دو ستاره‌ی واحدی را رصد کنند و اگر امواج رادیویی‌ای که وارد هر کدام می‌شوند کاملاً به‌موقع با هم مقایسه شوند. این ترکیب معادل با تلسکوپ واحدی خواهد بود که قطر دهانه‌ی آن برابر با فاصله‌ی میان این دو تلسکوپ باشد و توان تفکیک چنین مجموعه‌ای حتی از توان تفکیک بزرگترین تک تلسکوپ نوری هم تجاوز می‌کند. برای همزمانی دقیق، هر یک از دو تلسکوپ رادیویی نیاز به یک ساعت فوق‌العاده پایدار دارند. ساعت‌های خیلی دقیق همچنین در اندازه‌گیری دوره‌ی تناوب تپ اخترها (ستاره‌هایی که تابش خود را به صورت تپ‌های کوتاه گسیل می‌کنند) و تغییر در این دوره‌ها، که گاهی آرام و گاهی ناگهانی است، مورد نیازند. از جالبترین این تپ اخترها، تپ‌اخترهای میلی ثانیه‌ای‌اند، که با دوره‌های فوق‌العاده پایدارشان با بهترین ساعت‌های سزیمی رقابت می‌کنند. در واقع پایداری یکی از این تپ اخترها آنقدر زیاد است که سرانجام ممکن است به عنوان یک استاندارد زمان مناسب برای دوره‌های طولانی در نظر گرفته شود. تپ‌اختر میلی ثانیه‌ای دیگر جزئی از یک منظومه‌ی مزدوج چرخان با چرخش سریع است که دوره‌ی تناوب این چرخش دارد به آرامی تغییر می‌کنند. این تغییر را می‌توان به افت انرژی در اثر تابش امواج گرانشی نسبت داد؛ و این امر نخستین گواه تجربی دال بر وجود امواج گرانشی است. با ساعت‌های دقیق، اندازه‌گیری تغییر کمیاتی که زمانی تصور می‌شد ثابت باشند نیز ممکن شده است. همان‌طور که دیده‌ایم، اکنون معلوم شده است که دوره‌ی چرخش زمین، که یک وقتی به عنوان مبنایی برای تعریف یکای زمان به کار می‌رفت، از زمستان به تابستان و همچنین سال به سال به نسبت چند در صدمیلیون تغییر می‌کند. بخشی از این تغییر منظم و بخشی دیگر غیر قابل پیش‌بینی‌اند. ساعت‌های اتمی مختلف با آهنگ‌های متفاوت، به طور دقیق و به مدت‌های طولانی، با هم مقایسه شده‌اند. تا معلوم شود که آیا ممکن است تغییراتی در آهنگ نسبی آن‌ها مشاهده شود که احتمالاً مربوط به تغییر ثابت‌های بنیادی فیزیکی با زمان باشد؟ ولی چنین تغییراتی هنوز کشف نشده است. ساعت دقیق امکان یک سیستم دریانوردی ناوبری کاملاً جدید و دقیقتر، یعنی یک سیستم جهانی مکان‌یابی (GPS) را فراهم می‌آورد. تعدادی ماهواره که حامل ساعت‌های اتمی دقیق هستند، علامت (سیگنال) هایی را در زمان‌های معینی می‌فرستند، و هر ناظری که علامت‌ها را از چهار تا از این ماهواره‌ها دریافت و تحلیل کند می‌تواند موقعیت خود را با خطای حدود 10 متر و زمان صحیح را با خطای یک صدمیلیونیم ثانیه ( ثانیه) تعیین کند. زمان با چنان رقتی قابل اندازه‌گیری است که هرجا که ممکن باشد اندازه‌گیری‌های اساسی دیگر هم نهایتاً به اندازه‌گیری زمان تبدیل می‌شوند. به همین مناسبت اخیراً یکای طول به صورت فاصله‌ای که نور در مدت معینی طی می‌کند تعریف شده است، و یکاهای اساسی ولتاژ و مقاومت هم به‌زودی برحسب زمان تعریف خواهند شد. به لطف ساعت‌های دقیق امکان انجام آزمون‌های مهمی، هم در نظریه‌ی نسبیت خاص و هم در نظریه‌ی نسبیت عام فراهم آمده است. در یک آزمایش، آهنگ تناوب یک میزر هیدروژن که با موشکی در ارتفاع 10000 km حمل می‌شد در اثر سرعت و ارتفاع به همان میزانی تغییر کرد که در نظریه‌های نسبیت خاص و نسبیت عام پیش‌بینی می‌شود. در آزمایش‌های دیگر، تأخیر پیش‌بینی شده در نسبیت در مورد امواج رادیویی‌ای که از نزدیک خورشید عبور می‌کنند اندازه‌گیری شده است. با اصطلاحات بعدی در پایداری ساعت‌ها، در آینده باید انجام آزمون‌های دقیقتر از این‌ها هم در نظریه‌های ینیادی ممکن باشد.