ساعتان، بلدان، ونبضة واحدة

تبلغ الساعات الذرية الضوئية اليوم ارتيابات نسبية قدرها 10⁻¹⁸ وأقل — أي ما يعادل خسارة ثانية واحدة في ثلاثين مليار سنة. وهي تتفوق بأكثر من مئة ضعف على ساعات السيزيوم العاملة بالموجات الميكروية التي تُعرَّف بها الثانية اليوم، ومن المتوقع إعادة تعريف الثانية استنادًا إلى الساعات الضوئية. لكن قبل اختيار معيار جديد، لا بد من التحقق من الساعات بمقارنتها بعضها ببعض.

لماذا ساعتان متماثلتان

مقارنة ساعات تستخدم الانتقال الذري نفسه — أي القفزة بين مستويين من مستويات الطاقة في الذرة، التي تعدّ الساعة تردد ضوئها — تقدم اختبارًا واضحًا: يجب أن تكون نسبة تردداتها مساوية للواحد تمامًا. وقد ثبت مثل هذا الاتفاق دون 10⁻¹⁷ في الغالب الأعم بين أنظمة بُنيت داخل معهد واحد فقط. ولم تبلغ حملة أوروبية سابقة بين هاتين الساعتين نفسيهما هدف 5 × 10⁻¹⁸ المحدد تمهيدًا لإعادة التعريف، بسبب نقص البيانات. كما كشفت مقارنات بين ساعات أخرى بُنيت بشكل مستقل عن خلافات تتجاوز كثيرًا الارتيابات المعلنة لها — وهي علامة على وجود تأثيرات لم يأخذها أحد في الحسبان.

أيون واحد، ومختبران

تحتجز الساعتان كلتاهما أيونًا واحدًا من الإتربيوم-171 وتسبران انتقالًا بالغ الضيق، هو «ثُماني الأقطاب الكهربائي» (electric octupole) الذي تعيش حالته المثارة سنوات. إحدى الساعتين، NPL-E3Yb+3، توجد في المختبر الفيزيائي الوطني في تدينغتون بالمملكة المتحدة. والأخرى، PTB-Yb1E3، توجد في المعهد الفيزيائي التقني الاتحادي (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) في براونشفايغ بألمانيا. وتختلفان في تصميم المصيدة، وفي الليزرات المثبّتة، وفي طريقة إلغاء الإزاحة التي يسببها ضوء السبر نفسه.

رُبطت الساعتان عبر الشبكة الأوروبية للألياف الضوئية، وهي ألياف مثبّتة بحيث لا تضيف من عندها أي انجراف يُذكر: 2,220 كم، مرورًا بثلاث محطات ترحيل في فرنسا — مختبر فيزياء الليزر في فيلتانوز، ومختبر الزمن والفضاء في مرصد باريس، وجامعة ستراسبورغ. وبين 18 مارس و12 أبريل 2025، جمع الفريق 12.6 يومًا من البيانات الصالحة؛ وكانت الساعتان والوصلة تعمل معًا 51% من الوقت.

النتيجة

جاءت نسبة الترددين 1.000 000 000 000 000 001 0، بارتياب قدره 48 في الخانات الأخيرة: أي فرق قدره 1.0 × 10⁻¹⁸ ± 4.8 × 10⁻¹⁸، وهو متوافق مع الصفر. وعلى حد علم الباحثين، هذه أول مقارنة دولية بين ساعات دون 5 × 10⁻¹⁸.

ميزانية الخطأ، بوحدات من 10⁻¹⁸ (الأخطاء المستقلة يلغي بعضها بعضًا جزئيًا: فهي تتجمع على شكل الجذر التربيعي لمجموع مربعاتها، ولهذا يبلغ مجموعها 4.8 لا 8.8):

• الساعتان نفسيهما: 2.8، وأكبر تأثير فيها هو الحرارة المشعة من محيطهما في درجة حرارة الغرفة؛
• وصلة الألياف الدولية: 0.9؛
• الإحصاء: 1.6؛
• الانزياح الأحمر النسبي بين الموقعين — فكلما كانت الساعة أعلى في مجال جاذبية الأرض، دقّت أسرع، بنحو 1 × 10⁻¹⁸ لكل سنتيمتر — بما في ذلك الجذب المتغير للمد والجزر: 3.5 — وهو أكبر حدّ منفرد.

يعتمد هذا التصحيح الأخير على موقع كل ساعة في جهد الجاذبية الأرضية. ويعادل ارتيابه فرقًا في الارتفاع بين الساعتين يزيد قليلًا على 3 سنتيمترات.

اختبار للنسبية على الهامش

الموقعان متباعدان كثيرًا، ودوران الأرض يدير الخط الواصل بينهما باستمرار. فلو كانت سرعة الضوء تتوقف على الاتجاه — وهو خرق لما يسميه الفيزيائيون لاتغيّر لورنتز (Lorentz invariance) — لتذبذبت نسبة الترددات مع كل يوم نجمي — أي دورة واحدة للأرض بالنسبة إلى النجوم، مدتها 23 ساعة و56 دقيقة. لم تظهر أي إشارة من هذا القبيل. وصار المعامل الذي يقيس هذا التوقف على الاتجاه مقيَّدًا بدقة تفوق ما سبق بنحو خمس مرات. وبالمناسبة، من دون تصحيح المد والجزر، ظهر تذبذب زائف، قوي بما يكفي ليبدو كأنه أمارة على إشارة (2.6 انحراف معياري).

وكشفت البيانات أيضًا أن الألياف تضيف ضجيجًا: كان التشتت أعرض بنسبة 24% نهارًا منه ليلًا، بما يتسق مع اضطرابات بيئية على امتداد الوصلة.

السنتيمترات صارت مهمة

بما أن الجاذبية هيمنت على الخطأ، يكتب الباحثون أن مقارنات أفضل ستتطلب معرفة أدق بجهد الجاذبية في كل موقع — أو ساعة يمكن نقلها إلى الموقع الآخر من دون أن تفقد أداءها.