מדידת זמן ושעונים אטומיים
מאת גל ברקמדידת הזמן היא צורת המדידה הכי מדוייקת הקיימת כיום (בעלת השגיאה הקטנה ביותר, יחסית לגודלה). אפילו שעון היד, שכולנו משתמשים בו, סוטה בשניה אחת כל חודש. כלומר עבור חודש של כ-30 יום (2,592,000 שניות) תהיה סטיה של כשניה אחת. השוואה לאורכים, תגלה לנו שאם היינו משתמשים בסרגל עם רמת דיוק דומה, סרגל בעל אורך של מעל שני קילומטר וחצי ”יפספס“ בפחות ממילימטר.
מדידת זמן מדוייקת מאפשרת דברים רבים: מתקשורת במהירויות גבוהות, תזמון מנועים מתוחכמים ועד לתיזמון מדוייק שמקל על מיקום לויינים בחלל ומאפשר לנווט על הקרקע. אבל כאן אנו כבר נכנסים לתחום בו מדידת הזמן צריכה להיות הרבה יותר מדוייקת משעון היד שלנו, וככל שמדוייק יותר, טוב יותר.
וכאן נכנסים השעונים האטומיים. שעונים שמידת דיוקם כיום יכולה להיות בסדר גודל של 10 בחזקת 15 (כלומר, על כל 10 בחזקת 15 שניות, קרוב ל-32 מליון שנה, תהיה שגיאה של כשניה) והיד עוד נטויה. ותתפלאו, גם יש לזה שימושים.
(NIST)
למעשה, הגדרת השניה עצמה מבוססת על שעונים אטומיים, או יותר נכון, על העקרון הפיסיקלי העומד ביסוד השעון.
אז איך זה עובד?
מי שיצא לו ללמוד פיסיקה מודרנית בתיכון, יודע גם את הסיבה, ומי שלא, יוכל להסתפק בעובדה זו: במצבים מסויימים, חומרים קולטים ופולטים אורכי גל מסויימים מאד בלבד. כלומר, אם נגרום לחומר מסויים לקבל אנרגיה, האנרגיה תוכל להפלט ממנו אך ורק בתדרים מסויימים. אם ננסה להעביר פוטונים דרך חומר כלשהו, אך ורק פוטונים בתדרים מסויימים מאד יתקבלו.
בשנת 1967, הוחלט להגדיר את השניה עפ“י התדר של אחד מסוגי הקרינה הנפלט מאטום הצסיום-133. השניה הוגדרה כ“9,192,631,770 זמני מחזור“ של אותה הקרינה. או במלים אחרות: קרינה מסויימת שנפלטת, או נבלעת בצסיום-133 (כמובן,הקרינה מוגדרת בצורה חד ערכית. צורה מדוייקת מאשר כפי שכתבתי פה) היא בעלת תדר של 9,192,631,770 הרץ (תנודות בשניה) בדיוק, ואם נצליח לספור 9,192,631,770 זמני מחזור של אותה הקרינה, נקבל שניה אחת.
ועל כך מבוסס השעון האטומי.
הערה (לטובת מי שמבין קצת בנושא. כל השאר יכולים להתעלם, זה לא משפיע על ההסבר) : אורך הגל בו משתמשים בשעון אטומי, בשל הצורך בתדרים יחסית נמוכים, כדי להתאים למערכות הספירה האלקטרוניות המשמשות כיום, נובע לא ממעבר בין רמות, אלא משינוי ספין של אלקטרון ברמה הנמוכה ביותר.
ועכשיו נעבור לשעונים עצמם.
(NIST-F1, השעון האטומי העקרי, המשמש כסטנדרט הזמן של ארה“ב)
קיימים מספר סוגי שעונים אטומיים, וחלקם מתבססים על חומרים שונים, אך תמיד על אותם עקרונות בסיסיים. אני אתמקד בשעון הסטנדרטי והנפוץ, מאותו הסוג שניתן לראות בתמונה, והוא שעון צסיום. כפי שניתן לראות מהגדרת השניה, אם נוכל לספור את מחזורי הגל, של אותו הגל הנקלט (או נפלט) בצסיום, נוכל למצא את השניה. וזה בדיוק מה שעושים. הבעיה היא בעצם למצא את תדר הגל המדוייק.
(NIST)
בשלב הראשון של התהליך, 6 לייזרים מגבשים כדור של אטומי צסיום, ומורידים, בטכניקות מתוחכמות, את הטמפרטורה של הצסיום לקרוב מאד לאפס המוחלט, מתוך מטרה להפחית את כמות האי- דיוקים שיכולים לקרות כתוצאה מתנועה של החלקיקים. בנוסף, הלייזרים נותנים ”דחיפה“ קלה לחלקיקים ומעיפים אותם כלפי מעלה.
אטומי הצסיום עולים עד לגובה מסויים ואז מתחילים ליפול למטה. בזמן הנפילה, האטומים עוברים באיזור בו הם מופצצים בקרני מיקרוגל (Microawve Cavity בציור), בתדר קרוב ככל האפשר לתדר שאותו מנסים למצא. האטומים ממשיכים ליפול, ומגיעים ללייזר (Probe Laser), שגורם לכל האטומים שהושפעו מהמיקרו גל, לפלוט פוטונים (שנקלטים ע“י גלאי שמותקן בסמוך). ככל שתדר המיקרו גל קרוב יותר לתדר הרצוי, יותר פוטונים יפלטו.
(להדגמת התהליך בסרטון: http://www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/fountain.mpg)
על ה“ניסוי“ הזה חוזרים פעם אחר פעם, כשכל פעם תדר המיקרוגל שונה במקצת (מאחר שמקור המיקרוגל מדוייק פחות מהשעון האטומי, אין כל ברירה אחרת), כאשר במצב שבו מתגלה שאם מגדילים את התדר כמות הפוטונים פוחתת, אז מקטינים את התדר. אם מתגלה שבהקטנת התדר כמות הפוטונים פוחתת, מגדילים את התדר. כאשר מתגלה שאם מקטינים את התדר כמות הפוטונים פוחתת, מגדילים את התדר. כך ממשיכים כל הזמן, כשמנסים לשמור על תדר יציב ככל האפשר, וכמות פוטונים נפלטת גבוהה ככל האפשר.
ספירת אורכי הגל של אותו התדר, תתן את השניה.
מקורות:
(1) Scientific American
Ultimate clocks - Scientific American, September 2002, p.86-93
(2) אתר הבית של המרכז הלאומי האמריקאי לסטנדרטים וטכנולוגיה (NIST)
http://www.boulder.nist.gov/timefreq/cesium/fountain.htm
