الزيبتوثانية: كل ما تريد معرفته عن أصغر وحدة لقياس الوقت

عندما يتعلق الأمر بالزمن، فإن أصغر وحدة ربّما سمعنا بها لقياس الزمن كانت فيمتوثانية، لكن في الآونة الاخيرة تمكن العلماء لأول مرة من اكتشاف الـ زيبتوثانية zeptosecond وهي أصغر جزء من الوقت يُساوي واحدا على تريليون مليار من الثانية اي 10-21 من الثانية بالاعتماد على قياس وقت هروب الالكترون من ذرته....

عندما يتعلق الأمر بالزمن، فإن أصغر وحدة ربّما سمعنا بها لقياس الزمن كانت فيمتوثانية، لكن في الآونة الاخيرة تمكن العلماء لأول مرة من اكتشاف الـ زيبتوثانية zeptosecond وهي أصغر جزء من الوقت يُساوي واحدا على تريليون مليار من الثانية اي 10-21 من الثانية بالاعتماد على قياس وقت هروب الالكترون من ذرته، ونال عنها جائزة نوبل عام 1999، والمتعلقة بزمن كسر الروابط الكيميائية لكن الأمور تغيرت في الآونة الأخيرة ليكتشف العلماء وحدة القياس الأصغر على الإطلاق حاليًا: "زيبتوثانية"، والمرتبطة بالوقت الذي يستغرقه الجسيم الخفيف لعبور جزيء الهيدروجين.

قاس العلماء منذ أيام أقصر وحدة زمنية على الإطلاق، وهو الوقت الذي يستغرقه جسيم الضوء لعبور جزيء الهيدروجين ذلك الوقت كان تحديدًا 247 زيبتوثانية، والـ"زيبتوثانية" (zeptosecond) هو جزء من التريليون من المليار من الثانية، أو فاصلة عشرية متبوعة بـ20 صفرًا و1. سابقًا، غاص الباحثون في عالم الزيبتوثانية، ففي عام 2016، استخدم باحثون أشعة الليزر لقياس الوقت بأجزاء تصل إلى 850 زيبتوثانية هذه الدقة تعد قفزة هائلة بعد العمل المميز الحائز جائزة نوبل عام 1999، والذي قاس خلاله العالم المصري أحمد زويل الوقت لأول مرة بالفيمتوثانية، وهي جزء من المليون من المليار من الثواني، وكي نقارن الفيمتوثانية بالزيبتوثانية، يمكننا القول إن كسر الروابط الكيميائية وتشكيلها يستغرق فيمتوثانية، بينما يستغرق الضوء جزءًا من الثواني لينتقل عبر جزيء هيدروجين واحد (H2)، بحسب ساسة بوست.

زيبتوثانية زمن هروب الالكترون من ذرته

تمكن العلماء لأول مرة من اكتشاف الـ"زيبتوثانية" zeptosecond وهي أصغر جزء من الوقت يُساوي واحدا على تريليون مليار من الثانية اي 10-21 من الثانية بالاعتماد على قياس وقت هروب الالكترون من ذرته، وقد قام فريق من معهد ماكس بلانك للبصريات الكمية في جارشينغ بألمانيا بدراسة المفعول الكهروضوئي لألبرت آينشتاين، وهو ما سيوضح الكثير من التفاصيل المتعلقة بهذه النظرية، وفقا لما ذكره تقرير لصحيفة "نيو ساينس".

وكان العلماء في السابق قادرين فقط على مراقبة ما يحدث عند مغادرة الإلكترون للذرة، وهذه هي المرة الأولى التي يتمكن فيها عالم الفيزياء ماركوس أوسياندر المشارك في هذه الدراسة والفريق العامل معه من على قياس الوقت اللازم للإلكترون قبل أن يترك ذرته، وقد قام فريق البحث بإثارة الذرة بنبضات الليزر وهو ما مكن الباحثين من قياس السلوك الكمي لتلك الالكترونات، وذلك بالاعتماد على "إحصاء الكثير من القياسات وحساب الخطأ المعياري المتوسط وهو في حالتنا 850 زيبتوثانية".

وقال أوسياندر إنه "باستخدام هذه المعلومات يمكننا قياس الوقت الذي تستغرقه الإلكترونات لتغيير حالتها من الكمومية (quantum state) إلى الإلكترونات الحرّة (المتحررة من الذرة أي غير المرتبطة بها)" وقال مارتن شولتز، المشارك أيضا في الدراسة، إن هذا الاكتشاف سيسمح بفهم أفضل في المستقبل لظواهر مثل الموصلية الفائقة والحوسبة الكمومية superconductivity and quantum computing..، بحسب شبكة الفيزياء التعليمية.

الرحلة القصيرة

لقياس هذه الرحلة القصيرة جدًّا لمرور جسيم الضوء خلال جزيء الهيدروجين، أخذ باحثون من جامعة جوته في ألمانيا صورًا بالأشعة السينية أحد مسرعات الجسيمات في مدينة هامبورغ ومسرع الجسيمات عبارة عن آلة تستخدم المجالات الكهرومغناطيسية لدفع الجسيمات المشحونة بسرعات وطاقات عالية جدًّا، واحتوائها في حزم محددة جيدًا، ضبط الباحثون طاقة الأشعة السينية بحيث يضرب فوتون واحد، أو جسيم من الضوء، منها ويُخرج الإلكترونين من جزيء الهيدروجين (يتكون جزيء الهيدروجين من بروتونين وإلكترونين) وبالفعل انطلق الفوتون ليضرب إلكترونًا واحدًا ويخرجه من مداره حول النواة، ثم يرتد ليضرب ويخرج الإلكترون الثاني. يتصرف الفوتون هنا إلى حد كبير مثل حصاة مسطحة يجري قشطها مرتين على سطح الماء.

خلقت هذه التفاعلات نمط موجة يسمى نمط التداخل، فبسبب الطبيعة الموجية للإلكترونات، يولِّد كل إلكترون من الإلكترونين موجة معينة، وعندما يلتقي قاع الموجة بقمة موجة من الإلكترون الآخر، تلغي الموجتان بعضهما بعضًا، مما يؤدي إلى ما يسمى نمط التداخل هذا النمط يمكن للباحثين قياسه باستخدام أداة تسمى مجهر تفاعل الزخم الطيفي للهدف البارد (COLTRIMS). هذه الأداة هي في الأساس كاشف جسيمات حساس للغاية، يمكنه تسجيل تفاعلات ذرية وجزيئية سريعة للغاية.

سجل مجهر "COLTRIMS" كلًّا من نمط التداخل وموضع جزيء الهيدروجين خلال هذا التفاعل ونظرًا إلى أن الباحثين عرفوا التوجه المكاني لجزيء الهيدروجين، فقد استخدموا تداخل موجتي الإلكترون لحساب متى وصل الفوتون بدقة إلى كل من الإلكترون الأول والثاني هذا الوقت بلغ 247 زيبتوثانية في المتوسط، لوجود بعض المساحة المخصصة للمناورة اعتمادًا على المسافة بين ذرات الهيدروجين داخل الجزيء في اللحظة المحددة التي ضرب فيها الفوتون يمثل هذا القياس في الأساس عملية التقاط سرعة الضوء داخل جزيء الهيدروجين.

آفاق جديدة

يتذكر عبد العليم الضجة التي صاحبت تمكُّن العالِم المصري الراحل أحمد زويل، والحائز على جائزة نوبل في الكيمياء، من ابتكار كاميرا قادرة على تصوير التفاعلات الكيميائية على مستوى الجزيئات بتقنية الفيمتوثانية، مشيرًا إلى أن تجارب الفريق الألماني "تُكمل الطريق الذي مهد له زويل، وتفتح آفاقًا جديدة في مجال العلوم ما دون الذرية".

تُعد تلك التجرية "الأولى من نوعها" لقياس ما يحدث على مستوى الذرات، وكيفية توزيع الطاقة المستمدة من فوتونات الضوء على الإلكترونات، فقد أثبت العلماء أن هناك احتمالين فقط لتوزيع طاقة الفوتونات على الإلكترونات: إما أن يمتصها إلكترون واحد فقط، وإما أن تتوزع على أكثر من إلكترون، ووفقًا للدكتور أحمد عبد المنعم "يحتاج علماء ماكس بلانك إلى تطوير التجربة لمعرفة متى يمتص الإلكترون الطاقة كاملة ومتى تتوزع الطاقة بين الإلكترونات".

البحث الجديد له تأثير على مجالين أساسيين في العلوم، وهما: النانوتكنولوجي، إذ سيتمكن العلماء في المستقبل من صناعة أجهزة نانوية أكثر دقة بكثير، علاوة على فهم أكثر لفيزياء الكم، وحركة الجسيمات دون الذرية، ووفق عبد العليم فإن دقة الزمن الذي رصده علماء معهد ماكس بلانك –والمساوية لواحد على مليون من الفيمتوثانية- ستُمكِّن علماء الفيزياء البيولوجية والحيوية من رصد التفاعلات التي تحدث على مستوى الذرات، الأمر الذي سيغير من مستقبل صناعات مثل الأدوية والموصلات الفائقة وعدد مهول من التطبيقات الأخرى، بحسب موقع للعلم.