تقنية الكوارتز هي أكثر تقنيات قياس الوقت انتشارًا في العالم, وهي مستخدمة في معظم الساعات وساعات اليد، إضافة للحاسبات وتطبيقات قياس الوقت الأخرى.

وفى هذا الصدد.. تناول الأستاذ الدكتور مهندس حاتم حسن عامر بقسم الجوامد والمعجلات ‏الالكترونية بالمركز القومى لبحوث وتكنولوجيا الإشعاع قصة الساعة الذرية ونشأتها وتطورها ‏واستخداماتها، مشيرا إلى أن الساعة الذرية هى ساعة اخترعها العالم الأمريكى “وليام ليبى” عام ‏‏1948، وهى تعتمد على تردد الرنين الذرى لضبط الوقت وتستخدم لمعايرة الثانية، وتعتبر أدق ‏ساعات توقيت حتى الآن. 

وعن طريقة عملها.. يقول الدكتور عامر إن فكرة عملها تعتمد على الإشعاع الراديوى ضمن ‏نطاق الميكروويف للذرات وليس كما يعتقد البعض على النشاط الإشعاعى، مشيرا إلى أن هذه ‏الإشارات الراديوية تنتج عند تغير مستوىات الطاقة فى ذرة السيزيوم-133، وبالتحديد عند ‏انتقال الإلكترون فى تلك الذرة من مستوى أعلى إلى مستوى أدنى للطاقة.‏

وأضاف أن عنصر السيزيوم-133 يعتبر من أوائل العناصر التى استعملت فى الساعات ‏الذرية حين تم الاتفاق على تعريف الثانية عام 1967 على أنها الفترة اللازمة لتسعة مليارات و‏‏192 مليونا و631 ألفا و770 (9192631770) ذبذبة كاملة (دورة) من الإشعاع الذى ‏يصدره انتقال الإلكترون بين مستويين معينين للطاقة فى ذرة السيزيوم-133.. موضحا أنه مع ‏أن هذا التعريف قد تمت الاستعاضة عنه بالتعريف الضوئى للثانية بسبب النظرية النسبية، إلا ‏أن التعريف التقليدى لا يزال صحيحا كون القياسات مستخدمة فى إطار المجموعة الشمسية.‏

ويمكن فهم الجزء المبسط فى عمل الساعة الذرية كما يلي: تحتوى الساعة الذرية على فجوة معدنية تتناسب مع موجات ميكروويف بها غاز، وهذه الفجوة ‏قابلة للضبط بدقة عالية بحيث تتناسب مع أضخم إشارة تردد ناشئة داخل الفجوة ويبدأ الرنين ‏المتذبذب بالنمو وتستغرق هذه العملية بعض الوقت حتى تستقر عملية الرنين الترددى، ‏وتصبح الساعة الذرية جاهزة للعمل على الدوام.‏

وتعتبر أشهر أنواع الساعات الذرية هى ساعة السيزيوم، وساعة الروبيديوم وهى أقل دقة من ساعة ‏السيزيوم ولكنها فى المقابل أرخص بكثير.‏

وتصل قيمة الساعة الذرية المصممة بالسيزيوم إلى آلاف الدولارات، بينما يمكن للساعة الذرية ‏المصممة بالروبيديوم أن توفر للشركات مبالغ تصل إلى 200 دولار أمريكى. ‏

وقد تطورت دقة الساعة الذرية منذ الستينات حتى اليوم، فقد كانت نسبة الخطأ فى الستينات ‏من القرن الماضى 1 ثانية كل 300 سنة، وأصبح ثانية واحدة كل 3 ملايين سنة مع بداية ‏الألفية الثانية.‏

ومن ناحية حجم الساعة، فمازالت كبيرة نوعا ما، حيث أن أصغر الأحجام الممكنة تبلغ أبعادها ‏‏(10 سم فى 10 سم فى 10 سم).‏

من ناحية أخرى، تستهلك هذه الساعات قدرة لا تتجاوز المائة ميللى وات.. وعموما فى ‏المتوسط تبلغ دقة الساعة الذرية بحدود واحد نانو ثانية فى اليوم، أى ما يعادل خطأ مقداره ‏ثانية واحدة كل 7ر2 مليون سنة.‏

وتلعب الساعة الذرية دورا هاما فى حياتنا اليومية، حيث تستعمل فى الكثير من خوادم الوقت، ‏وهى نوعان: النوع الأول به ساعة ذرية مستقلة (باهظة الثمن) بينما النوع الثانى يستطيع ‏إعادة ضبط الوقت عبر أقمار الجى بى إس (نظام تحديد المواقع العالمي)، كما أنها تستعمل ‏فى التطبيقات التى تتطلب مقاييس زمنية غاية فى الدقة مثل أقمار تحديث الإحداثيات (جى ‏بى إس)، فبواسطتها يتم ضبط تزامن شبكة الانترنت فى شتى أنحاء العالم وتشغيل نظام ‏الملاحة العالمى. ‏

كما تلعب الساعة الذرية دورا هاما فى تحديد مواقع الأجرام السماوية ومتابعة حركة المركبات ‏الفضائية وتحديد الوقت اللازم لتحرك الكواكب والنجوم وحدوث بعض الظواهر الفلكية.‏

ولا يمكن حصر استخدامات هذه الساعات، فعن طريقها يتم ضبط شبكات الاتصالات السلكية ‏واللاسلكية والشبكات الضوئية وشبكات توزيع ونقل الطاقة الكهربائية وضبط حركة المواصلات ‏العامة وحركة الطائرات عالميا بدقة عالية وأمان.‏

ضبط الوقت يمكن أن يكون بسيطاً، الحيلة تعتمد على عد الفترات الفاصلة من شيء ما يحدث مراراً وتكراراً مع أقل قدر ممكن من الاختلاف. فمثلاً، النواس المتأرجح، يتأرجح بشكل دوري يعادل تقريباً الثانية، وهي وحدة ضبط الوقت الأساسية المعروفة التي تُشكل الدقائق والساعات.

ولكن حتى أفضل النواسات الميكانيكية والساعات المعتمدة على الكريستالات المتكونة من الكوارتز من شأنها أن تطور تناقضات أو فواصل زمنية مختلفة إلى حد معيّن، بالتالي نخسر الدقة في حساب هذه الفواصل. الطريقة الأفضل لضبط الوقت هي “الاهتزاز” الطبيعي والمحدد في ذرة متنشطة 

عندما تتعرض تلك الذرة لترددات معينة من الإشعاع، مثل الموجات الراديوية، فإن الجسيمات دون الذرية التي تُسمى الإلكترونات والتي تدور حول نواة الذرة ستقفز ذهابًا وإيابًا بين المستويات (الحالات) الطاقية. إن الساعات التي تعمل بناءً على هذا القفز داخل الذرات من شأنها أن توفر وسيلة دقيقة للغاية لعد الثواني.

إنه ليس بالأمر المُفاجئ أبدًا أن المعيار الدولي لمدة الثانية الواحدة يقوم على الذرات، فمنذ عام 1967، حُدِّدَ التعريف الرسمي للثانية بمدة 9192631770 دورة من الإشعاع المنبعث نتيجة انتقال إليكترون بين مستويين طاقيين محدَدين في ذرة السيزيوم-133.

داخل ساعة سيزيوم ذرية، يتم تحريك ذرات السيزيوم خلال إنبوب قِمعي حيث تمر خلال موجات راديوية بتردد معين، فإذا كان هذا التردد هو بالضبط 9192631770 دورة في الثانية فإن ذرات السيزيوم “تطن” وتُغير مستوى الطاقة الخاص بها.

بعد ذلك يقوم كاشف في نهاية الإنبوب بتتبع عدد ذرات السيزيوم التي وصلت إليه والتي قد تغير مستوى الطاقة الخاص بها. كلما كان تردد الموجات الراديوية مضبوطًا على 9192631770 دورة في الثانية الواحدة، كلما زاد عدد ذرات السيزيوم التي تصل إلى المكشاف.

يُلقم الكاشف المعلومات مرة أخرى إلى مُولد الموجات راديوية، الذي بدوره يُزامن ويضبط تردد الموجات الراديوية مع العدد الأقصى من ذرات السيزيوم التي تصطدم بالكاشف. ويكون هنالك إلكترونيات أُخرى في الساعة الذرية تحصي هذا التردد، وكما هو الحال مع تأرجح واحد من النواس الميكانيكي، فدقة الثانية الواحدة تتحدد عندمت يتم عد (حدوث) هذا التردد.

هذا وإن الساعات الذرية الجيدة الأولى التي صُنِعت في خمسينيات القرن العشرين كانت قد قامت على عنصر السيزيوم، مثل تلك الساعات جعلت الوقت بالغ الدقة، وهي لا تزال الأساس المستخدم للحفاظ على الوقت الرسمي في جميع أنحاء العالم حتى الآن.

تم الاحتفاظ بأجود الساعات في الولايات المتحدة الأمريكية في المعاهد الوطنية للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في بولدر – كولورادو، ومرصد البحرية الأمريكية (USNO) في العاصمة واشنطن.

يمكن لساعة السيزيوم الذرية NIST-F1 أن تُنتج تردد دقيق للغاية بحيث يكون المعدل اليومي للخطأ بها حوالي 0.03 نانو ثانية تقريبًا، الأمر الذي يعني أن الساعة سوف تفقد ثانية واحدة بعد مدة تبلغ مائة مليون سنة.

 *ـ تعتبر الساعات الذرية من أدق الساعات توقيتاً حتى الآن حيث يصل مقدار الخطأ ثانية كل 300 مليون سنة تقريبا وفقا للإحصائيات الحديثة ، الأمر الذي جعل منها معيارا للتوقيت العالمي.

تاريخ صناعة الساعة الذرية : 

ان فكرة استخدام الانتقال الذري لحساب الوقت اقترح اول مرة من قبل العالم كلفن في عام 1879.الرنين المغناطيسي ،اكتشف من قبل العالم أزيدور اسحاق رابي في عام 1930 , أصبحت طريقة عملية للقيام بذلك. في عام 19455 اعلن رابي بان الشعاع الذري بالرنين المغناطيسي يمكن ان يستخدم كاساس للساعة.اول ساعة ذرية كانت الجهاز امونياك مايزر بنيت في 1949 في الولايات المتحدة،كانت أقل دقة من الساعات الكوارتز الحالية.أول ساعة ذرية دقيقة، هي المعيار السيزيوم التي تستند إلى الانتقال المعين للذرة السيزيوم 133، بنيت من قبل لويس إيسن في عام 1955 في مختبر الفيزياء الوطني في المملكة المتحدة.

الساعة الذرية وتعمل بالسيزيوم-133

الساعات الذرية تبقي الوقت أفضل من أي ساعة أخرى. حتى أنهم يحافظون على الوقت أفضل من دوران الأرض وحركة النجوم. وبدون الساعات الذرية ، سيكون من المستحيل استخدام نظام تحديد المواقع العالمي ، ولن تتم مزامنة الإنترنت ، ولن يكون موقع الكواكب معروفًا بدقة كافية لمجاري الفضاء ومهبطات الأرض التي سيتم إطلاقها ومراقبتها.

الساعات الذرية ليست مشعة. انهم لا يعتمدون على التسوس الذري. بدلا من ذلك ، لديهم كتلة تتأرجح والربيع ، تماما مثل الساعات العادية.

الفرق الكبير بين الساعة القياسية في منزلك والساعة الذرية هو أن التذبذب في الساعة الذرية بين نواة الذرة والإلكترونات المحيطة. هذا التذبذب ليس بالتوازي مع عجلة التوازن وشعر الساعة لساعة الساعة ، ولكن الحقيقة هي أن كلا التذبذبات تستخدم لتتبع مرور الوقت. وتتحدد ترددات التذبذب داخل الذرة بكتلة النواة و "النابض" الجاذبي والكهرباء الساكنة بين الشحنة الموجبة على النواة وسحابة الإلكترون المحيطة بها.

ما هي أنواع الساعات الذرية؟

اليوم ، على الرغم من وجود أنواع مختلفة من الساعات الذرية ، يبقى المبدأ وراء كل منها كما هو. يرتبط الاختلاف الرئيسي بالعنصر المستخدم ووسائل اكتشاف متى يتغير مستوى الطاقة. تشمل الأنواع المختلفة للساعات الذرية ما يلي:

• تستخدم الساعات الذرية السيزيوم 

حزمة من ذرات السيزيوم. يفصل الساعة ذرات السيزيوم لمستويات الطاقة المختلفة بواسطة المجال المغناطيسي.

• تحافظ الساعات الذرية للهيدروجين على ذرات الهيدروجين عند مستوى الطاقة المطلوب في حاوية ذات جدران من مادة خاصة بحيث لا تفقد الذرات حالتها العالية الطاقة بسرعة كبيرة.

• تستخدم ساعات الروبيديوم الذرّية ، أبسطها وأكثرها تناغماً ، خلية زجاجية من غاز الروبيديوم التي تغير امتصاصها للضوء على تردد الروبيديوم البصري عندما يكون تردد الموجات الميكروية المحيط صحيحًا.

تستخدم الساعات الذرية الأكثر دقة المتوفرة اليوم ذرة السيزيوم والمجالات والمغناطيسية العادية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إيقاف ذرات السيزيوم من سوستة ذهابا وإيابا بواسطة أشعة الليزر ، مما يقلل من التغيرات الطفيفة في التردد بسبب تأثير دوبلر.

متى تم اختراع الساعة الذرية؟

في عام 1945 ، اقترح أستاذ الفيزياء بجامعة كولومبيا إيسيدور رابي أن الساعة يمكن أن تكون مصنوعة من تقنية طورها في ثلاثينيات القرن العشرين تسمى الرنين المغناطيسي للحزمة الذرية. بحلول عام 1949 ، أعلن المكتب الوطني للمعايير (NBS ، الذي أصبح الآن المعهد الوطني للمعايير والتقنية ، NIST) أول ساعة ذرية في العالم باستخدام جزيء الأمونيا كمصدر للاهتزازات ، وبحلول عام 1952 ، أعلن عن أول ساعة ذرية باستخدام ذرات السيزيوم كمصدر للاهتزاز ، NBS-1.

في عام 1955 ، قام المختبر الفيزيائي الوطني في إنجلترا ببناء أول ساعة للحزم السيزيوم تستخدم كمصدر للمعايرة. على مدى العقد المقبل ، تم إنشاء أشكال أكثر تقدما للساعات. في عام 1967 ، قام المؤتمر العام الثالث عشر للأوزان والمقاييس بتعريف الثانية على أساس اهتزاز ذرة السيزيوم. نظام حفظ الوقت في العالم لم يعد له أساس فلكي في هذه المرحلة! أُنجزت NBS-4 ، وهي ساعة السيزيوم الأكثر استقراراً في العالم ، في عام 1968 ، واستخدمت في التسعينيات كجزء من نظام الوقت للمعهد

في عام 1999 ، بدأ NIST-F1 العمل مع عدم اليقين من 1.7 أجزاء في 10 إلى القوة 15 ، أو الدقة إلى حوالي ثانية واحدة في 20 مليون سنة ، مما يجعلها أكثر ساعة دقيقة على الإطلاق (وهو تمييز مشترك مع معيار مماثل في باريس ).

كيف يقاس الوقت الذري؟

يتم الآن تحديد التردد الصحيح لرنين السيزيوم المعين من خلال اتفاقية دولية بقيمة 93219313170 هرتز بحيث يكون الناتج عند مقسومًا على هذا الرقم هو 1 هرتز بالضبط ، أو دورة واحدة في الثانية.

الدقة طويلة المدى التي يمكن تحقيقها بواسطة الساعات الذرية السيزيوم الحديثة (النوع الأكثر شيوعًا) هي أفضل من ثانية واحدة لكل مليون سنة. تظهر الساعات الذرية للهيدروجين دقة أفضل على المدى القصير (أسبوع واحد) ، ما يقرب من 10 أضعاف دقة الساعات الذرية السيزيوم. ولذلك ، فقد زادت الساعات الذرية من دقة قياس الوقت بنحو مليون مرة بالمقارنة مع القياسات التي أجريت عن طريق تقنيات فلكية.

أنتجت الشركة الوطنية في ولاية ماساشوستس الساعات الذرية التجارية الأولى باستخدام السيزيوم. اليوم ، يتم إنتاجها من قبل العديد من الشركات المصنعة ، بما في ذلك شركة Hewlett Packard ، و Frequency Electronics ، و FTS. التكنولوجيا الجديدة تواصل تحسين الأداء. أدق ساعات السيزيوم في المختبر هي آلاف المرات أفضل من الوحدات المنتجة تجاريا.

كيف تعمل الساعة الذرية السيزيوم العملية؟

الذرات لها ترددات تذبذب مميزة. ولعل أكثر الأوقات شيوعاً هو التوهج البرتقالي من الصوديوم في ملح الطعام إذا تم رشه على لهب. سيكون للذرة ترددات عديدة ، بعضها عند الموجة الراديوية ، بعضها في الطيف المرئي ، وبعضها بين الاثنين. سيزيوم 133 هو العنصر الأكثر شيوعا المختار للساعات الذرية.

لتحويل الرنين الذري السيزيوم إلى ساعة ذرية ، من الضروري قياس أحد تردداته الانتقالية أو الرنانة بدقة. ويتم ذلك عادة عن طريق قفل مذبذب بلوري إلى رنين الميكروويف الرئيسي لذروة السيزيوم. توجد هذه الإشارة في نطاق الموجات الميكروية من الطيف الراديوي ، ويصادف أن تكون بنفس معدل تكرار إشارات القمر الصناعي المباشر. يفهم المهندسون كيفية بناء المعدات في هذا المجال من الطيف بتفصيل كبير.

لإنشاء ساعة ، يتم تسخين السيزيوم أولاً حتى تغلي الذرات وتمرر أنبوبًا يحافظ على الفراغ العالي. أولاً ، يمرون عبر حقل مغناطيسي يختار ذرات حالة الطاقة المناسبة ؛ ثم يمرون من خلال حقل الميكروويف المكثف. يتدفق تردد طاقة الميكروويف إلى الخلف وإلى الأمام ضمن نطاق ضيق من الترددات ، بحيث أنه في مرحلة ما في كل دورة ، يعبر تردد 9،192،631،770 هيرتز (Hz) ، أو دورات في الثانية الواحدة. إن نطاق مولد الموجات الدقيقة قريب بالفعل من هذا التردد الدقيق ، لأنه يأتي من مذبذب بلوري دقيق. عندما تتلقى ذرة السيزيوم طاقة الميكروويف بالتردد الصحيح تمامًا ، فإنها تغير حالة طاقتها.

في الطرف البعيد من الأنبوب ، يفصل حقل مغناطيسي آخر الذرات التي غيرت حالة طاقتها إذا كان حقل الميكروويف عند التردد الصحيح بالضبط. يعطي الكاشف الموجود في نهاية الأنبوب مخرجات تتناسب مع عدد ذرات السيزيوم التي تضربها ، وبالتالي تبلغ ذروتها في الخرج عندما يكون تردد الموجات الدقيقة صحيحًا تمامًا. ثم يتم استخدام هذه الذروة لإجراء التصحيح الطفيف اللازم لجلب مذبذب البلورة ومن ثم حقل الميكروويف بالضبط على التردد. ثم يقسم هذا التردد المقفل إلى 91923131770 لإعطاء النبض المألوف في الثانية المطلوبة في العالم الحقيقي.

بعض التعاريف:

*الساعة الذرية - ساعة دقيقة تعتمد على تشغيلها على مذبذب كهربائي ينظمه ترددات الاهتزاز الطبيعية في نظام ذري (كشعاع من ذرات السيزيوم)

*Atom - أصغر جسيم لعنصر يمكن أن يوجد إما بمفرده أو في توليفة ؛ تعتبر الذرة مصدرا للطاقة الكامنة الهائلة

*سيزيوم 133 - هو نظير سيزيوم يستخدم بشكل خاص في الساعات الذرية ويستخدم أحد التحولات الذرية كمعيار زمني علمي

*SI Second (ذرية ثانية) - الفترة الزمنية المأخوذة لإكمال 9192.631.770 ذبذبة للسيزيوم 133 ذرة تتعرض لإثارة مناسبة

فيديو قصير عن الوقت:

يعتبر عنصر السيزيوم-133 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 يصدره انتقال الإلكترون بين مستويين معينين للطاقة 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 الخطأ في الستينيات من القرن الماضي 1 ثانية كل 300 سنة واصبح 1 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). مواتن ناحية أخرى، تستهلك هذه الساعات قدرة لاتتجاوز المائة ميلي .


دقة الساعة الذرية :
تلعب الساعة الذرية دورا هاما فى حياتنا اليومية، حيث تستعمل فى الكثير من خوادم الوقت، ‏وهى نوعان: النوع الأول به ساعة ذرية مستقلة (باهظة الثمن) بينما النوع الثانى يستطيع ‏إعادة ضبط الوقت عبر أقمار الجى بى إس (نظام تحديد المواقع العالمي)، كما أنها تستعمل ‏فى التطبيقات التى تتطلب مقاييس زمنية غاية فى الدقة مثل أقمار تحديث الإحداثياتفي 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 السيزيوم المبرد باستمرار عملها رسميا عام 2004 ويقدر مقدار الخطأ بحدود ثانية واحدة كل 30 مليون سنة

اهمية الساعة الذرية في حياتنا :
تلعب الساعة الذرية دورا هاما فى حياتنا اليومية، حيث تستعمل فى الكثير من خوادم الوقت، ‏وهى نوعان: النوع الأول به ساعة ذرية مستقلة (باهظة الثمن) بينما النوع الثانى يستطيع ‏إعادة ضبط الوقت عبر أقمار الجى بى إس (نظام تحديد المواقع العالمي)، كما أنها تستعمل ‏فى التطبيقات التى تتطلب مقاييس زمنية غاية فى الدقة مثل أقمار تحديث الإحداثيات (جى ‏بى إس)، فبواسطتها يتم ضبط تزامن شبكة الانترنت فى شتى أنحاء العالم وتشغيل نظام ‏الملاحة العالمى. ‏

كما تلعب الساعة الذرية دورا هاما فى تحديد مواقع الأجرام السماوية ومتابعة حركة المركبات ‏الفضائية وتحديد الوقت اللازم لتحرك الكواكب والنجوم وحدوث بعض الظواهر الفلكية.‏

ولا يمكن حصر استخدامات هذه الساعات، فعن طريقها يتم ضبط شبكات الاتصالات السلكية ‏واللاسلكية والشبكات الضوئية وشبكات توزيع ونقل الطاقة الكهربائية وضبط حركة المواصلات ‏العامة وحركة الطائرات عالميا بدقة عالية وأمان

ساع مكة المكرمة :
- تم ضبط الساعة عن طريق توقيت مكة المكرمة المستقل الذي يأخذ معلوماته من 5 ساعات ذرية عالية الدقة تشكل الجزء الأساسي من مركز توقيت مكة، كما تم ربط مركز توقيت مكة بشبكة التوقيت العالمي (يو تي سي) التي يوجد مقرها في باريس.

وعن طريقة عملها.. إن فكرة عملها تعتمد على الإشعاع الراديوى ضمن ‏نطاق الميكروويف للذرات وليس كما يعتقد البعض على النشاط الإشعاعى، مشيرا إلى أن هذه ‏الإشارات الراديوية تنتج عند تغير مستوىات الطاقة فى ذرة السيزيوم-133، وبالتحديد عند ‏انتقال الإلكترون فى تلك الذرة من مستوى أعلى إلى مستوى أدنى للطاقة.‏

وأضاف أن عنصر السيزيوم-133 يعتبر من أوائل العناصر التى استعملت فى الساعات ‏الذرية حين تم الاتفاق على تعريف الثانية عام 1967 على أنها الفترة اللازمة لتسعة مليارات و‏‏192 مليونا و631 ألفا و770 (9192631770) ذبذبة كاملة (دورة) من الإشعاع الذى ‏يصدره انتقال الإلكترون بين مستويين معينين للطاقة فى ذرة السيزيوم-133.. موضحا أنه مع ‏أن هذا التعريف قد تمت الاستعاضة عنه بالتعريف الضوئى للثانية بسبب النظرية النسبية، إلا ‏أن التعريف التقليدى لا يزال صحيحا كون القياسات مستخدمة فى إطار المجموعة الشمسية.‏

ويمكن فهم الجزء المبسط فى عمل الساعة الذرية كما يلي: تحتوى الساعة الذرية على فجوة معدنية تتناسب مع موجات ميكروويف بها غاز، وهذه الفجوة ‏قابلة للضبط بدقة عالية بحيث تتناسب مع أضخم إشارة تردد ناشئة داخل الفجوة ويبدأ الرنين ‏المتذبذب بالنمو وتستغرق هذه العملية بعض الوقت حتى تستقر عملية الرنين الترددى، ‏وتصبح الساعة الذرية جاهزة للعمل على الدوام.‏

وتعتبر أشهر أنواع الساعات الذرية هى ساعة السيزيوم، وساعة الروبيديوم وهى أقل دقة من ساعة ‏السيزيوم ولكنها فى المقابل أرخص بكثير.‏

وتصل قيمة الساعة الذرية المصممة بالسيزيوم إلى آلاف الدولارات، بينما يمكن للساعة الذرية ‏المصممة بالروبيديوم أن توفر للشركات مبالغ تصل إلى 200 دولار أمريكى. ‏

وقد تطورت دقة الساعة الذرية منذ الستينات حتى اليوم، فقد كانت نسبة الخطأ فى الستينات ‏من القرن الماضى 1 ثانية كل 300 سنة، وأصبح ثانية واحدة كل 3 ملايين سنة مع بداية ‏الألفية الثانية.‏

ومن ناحية حجم الساعة، فمازالت كبيرة نوعا ما، حيث أن أصغر الأحجام الممكنة تبلغ أبعادها ‏‏(10 سم فى 10 سم فى 10 سم).‏

من ناحية أخرى، تستهلك هذه الساعات قدرة لا تتجاوز المائة مل واط.. وعموما فى ‏المتوسط تبلغ دقة الساعة الذرية بحدود واحد نانو ثانية فى اليوم، أى ما يعادل خطأ مقداره ‏ثانية واحدة كل 7ر2 مليون سنة.‏

وتلعب الساعة الذرية دورا هاما فى حياتنا اليومية، حيث تستعمل فى الكثير من خوادم الوقت، ‏وهى نوعان: النوع الأول به ساعة ذرية مستقلة (باهظة الثمن) بينما النوع الثانى يستطيع ‏إعادة ضبط الوقت عبر أقمار الجى بى إس (نظام تحديد المواقع العالمي)، كما أنها تستعمل ‏فى التطبيقات التى تتطلب مقاييس زمنية غاية فى الدقة مثل أقمار تحديث الإحداثيات (جى ‏بى إس)، فبواسطتها يتم ضبط تزامن شبكة الانترنت فى شتى أنحاء العالم وتشغيل نظام ‏الملاحة العالمى. ‏

كما تلعب الساعة الذرية دورا هاما فى تحديد مواقع الأجرام السماوية ومتابعة حركة المركبات ‏الفضائية وتحديد الوقت اللازم لتحرك الكواكب والنجوم وحدوث بعض الظواهر الفلكية.‏

ولا يمكن حصر استخدامات هذه الساعات، فعن طريقها يتم ضبط شبكات الاتصالات السلكية ‏واللاسلكية والشبكات الضوئية وشبكات توزيع ونقل الطاقة الكهربائية وضبط حركة المواصلات ‏العامة وحركة الطائرات عالميا بدقة عالية وأمان.‏