הזמן חיוני לתפקוד חיי היומיום שלנו: מהשעונים על פרקי הידיים ועד למערכות ה-GPS בטלפונים שלנו.
מערכות תקשורת, רשתות חשמל ועסקאות פיננסיותכולם מסתמכיםעל תזמון מדויק. שניות הן יחידות המדידה החיוניות בשמירת זמן.
באופן מפתיע, עדיין יש ויכוח על ההגדרה של השני.אבל ההתקדמות האחרונהבצורות המדויקות ביותר של שמירת זמן אולי רק שינו את המשחק.
שמירת זמן מדויקת תמיד הייתה חלק מההתפתחות החברתית של המין האנושי. באנדרטה הניאוליתית שלניוגראנג' באירלנד, פתח מיוחד מעל כניסה מאפשר לאור השמש להאיר את המעבר והחדר בימים הקצרים ביותר של השנה, בסביבות ה-21 בדצמבר, היפוך החורף.
לפני כ-2,300 שנה,אמר אריסטוש"מהפכת הספירה החיצונית של השמים" צריכה להיות ההתייחסות למדידת הזמן. הפילוסוף היווני האמין שהקוסמוס מסודר לספירות קונצנטריות, עם כדור הארץ במרכז.
שעוני מים, שהופיעו בסביבות שנת 2000 לפני הספירה, הם בין המכשירים העתיקים ביותר למדידת זמן. הם עושים זאת על ידי ויסות זרימת המים לתוך או החוצה מכלי. השעון המכני הוקם אז בסוף המאה ה-13.
עד 1967, שנייה הוגדרה כ-1/86,400 מיום, עם עשרים וארבע שעות ביום, שישים דקות בשעה ו-60 שניות בדקה (24 x 60 x 60 = 86,400).
המערכת יחידות בינלאומיתאחר כך שינה דברים, הסתפקהגדרה זו:
השני... מוגדר על ידי קביעת תדר המעבר של... של אטום צזיום-133, להיות 9,192,631,770 כאשר הוא מבוטא ביחידת הרץ, השווה ל-s⁻¹.
אם אתה מבולבל, תן לי לפרט. הליבה של הגדרה זו היא משהו שנקרא תדר מעבר. מעבר מתרחש כאשר אלקטרונים באטום סופגים אנרגיה ועוברים לרמת אנרגיה גבוהה יותר, וחוזרים למצב רגוע לאחר זמן.
זה קצת כמו לשתות כוס: פתאום יש לך יותר אנרגיה, עד שהמתפוגג. התדירות היא מספר הפעמים הצפוי שמעבר מתרחש לפרק זמן מסוים.
בכל סימון של השני, מעבר ספציפי של אלקטרון של צזיום-133 מתרחש 9,192,631,770 פעמים. זה הפך לאמת המידה של מדידת זמן. עד כה, צסיום מספק את ההגדרה המדויקת ביותר של השני, אך ניתן לשפר אותה באמצעות תדרים גבוהים יותר.
ככל שתדירות המעבר גבוהה יותר, כך פחות קריאה שגויה בודדת יכולה לדרדר את הדיוק הכולל. אם היו חמישים מעברים בשנייה, העלות מבחינת הדיוק של ספירה שגויה של אחד הייתה חמורה פי מאה מאשר אם היו 5,000.
ישנן שתי מגבלות בצמצום שגיאה זו: האתגרים הטכנולוגיים של מדידת תדרים, במיוחד גבוהים יותר; והצורך למצוא מערכת - אטומי צזיום-133 עבור השני - עם מעבר בתדר גבוה מדיד.
על מנת למדוד תדר לא ידוע, מדענים לוקחים אות בתדירות ידועה - התייחסות - ומשלבים אותו עם התדר שהם רוצים למדוד. ההבדל ביניהם יהיה אות חדש עם תדר קטן שקל למדוד: תדר הפעימה.
שעונים אטומיים משתמשים בטכניקה זו כדי למדוד את תדירות המעבר של אטומים בצורה כה מדויקת עד שהם הופכים לסטנדרטים להגדרת השני. כדי להשיג דיוק כזה, מדענים צריכים אות התייחסות מהימן, שהם משיגים עם משהו שנקרא מסרק תדרים.
מסרק תדרים משתמש בלייזרים, המוקרנים החוצה בפולסים לסירוגין. אלומות אלו מכילות גלי אור רבים ושונים, שתדריהם מרווחים באופן שווה, כמו שיניים של מסרק - ומכאן השם.
בשעונים אטומיים, מסרק תדר משמש להעברת אנרגיה למיליוני אטומים בו זמנית, בתקווה שאחת משיני המסרק תפעום בתדר המעבר של אטום.
מסרק תדרים שהשיניים שלו רבות, דקות ובטווח התדרים הנכון מגדיל את הסיכוי שזה יקרה. לכן הם מפתחים להשגת מדידות דיוק גבוהות של אות ייחוס.
משעונים אטומיים ועד גרעיניים
כפי שראינו, השני מוגדר על ידי מעברי אלקטרונים באטומי צסיום. קל יותר למדוד מעברים המתרחשים בתדירות נמוכה יותר. אבל אלה שמתרחשים בתדירות גבוהה יותר עוזרים להגביר את דיוק המדידה.
מעברי צזיום מתרחשים בערך באותו תדירות על הספקטרום האלקטרומגנטי כמו גלי מיקרו. תדרי מיקרוגל אלו נמוכים מאלו של אור נראה.
אֲבָלבספטמבר 2021, מדענים ביצעו מדידות באמצעות היסוד סטרונציום, שתדירות המעבר שלו גבוהה מצסיום ונופלת בטווח האור הנראה. זה פותח את האפשרות להגדיר מחדש את השני עד 2030.
בספטמבר 2024, מדענים אמריקאיםעשה התקדמות מפתחלקראת בניית שעון גרעיני - צעד מעבר לשעון אטומי. בניגוד לשעון האטומי, המעבר שנמדד על ידי המכשיר החדש הזה מתרחש בגרעין, או הליבה, של האטום (ומכאן השם), מה שמקנה לו תדירות גבוהה עוד יותר.
תוריום-229, האטום המשמש למחקר זה, מציע מעבר גרעיני שניתן לעורר באור אולטרה סגול. הצוות שעובד על השעון הגרעיני התגבר על האתגר הטכנולוגי של בניית מסרק תדרים הפועל בטווח התדרים הגבוה יחסית של אור אולטרה סגול.
זה היה צעד גדול קדימה מכיוון שמעברים גרעיניים בדרך כלל נראים רק בתדרים גבוהים בהרבה - כמו אלו של קרינת גמא. אבל אנחנו עדיין לא מסוגלים למדוד במדויק מעברים בטווח הגמא.
למעבר אטום התוריום יש תדירות גבוהה פי מיליון בערך מזו של אטום הצסיום. המשמעות היא שלמרות שהוא נמדד בדיוק נמוך יותר משעון הסטרונציום החדיש הנוכחי, הוא מבטיח דור חדש של שעונים עם הגדרות הרבה יותר מדויקות של השני.
מדידת זמן עד למקום התשע עשר העשרוני, כפי ששעונים גרעיניים יכולים לעשות, תאפשר למדענים לחקור תהליכים מהירים מאוד. תחשוב על שני רצים קשורים בפוטו פיניש. אם לשעון העצר של השופט היו מספר ספרות נוספות, הם היו יכולים לזהות את המנצח.
באופן דומה,משמש לחקר תהליכים מהירים שעלולים להוביל לחפיפה עם מכניקת הקוונטים. שעון גרעיני ייתן לנו את הטכנולוגיה הדרושה להוכחת התיאוריות הללו.
ברמה הטכנולוגית, מערכות מיקום מדויקות כמו GPS מבוססות על חישובים מורכבים הדורשים מדידות עדינות של הזמן הנדרש לאות לקפוץ ממכשיר אחד ללוויין ולמכשיר אחר.
הגדרה טובה יותר של השני תתורגם ל-GPS הרבה יותר מדויק. יכול להיות שהזמן עבר לשנייה הצסיום, אבל עולם חדש ממתין מעבר לה.
ויטוריו איטה, עמית מחקר, המחלקה לפיזיקה,קינגס קולג' בלונדון
מאמר זה פורסם מחדש מהשיחהתחת רישיון Creative Commons. קרא אתמאמר מקורי.
