משחר ההיסטוריה עסקו בני האדם במדידת זמן. חלוקת היממה ל-12 שעות מיוחסת למצרים הקדמונים, ומאז ימיהם ועד היום חלה התקדמות עקבית בדיוק שבו אנו מסוגלים למדוד את הזמן ובכלים שבעזרתם אנחנו עושים זאת. מאז שנות ה-60 שעונים אטומיים, שמבוססים על מעברים של אלקטרונים בין רמות אנרגיה, הפכו תו התקן למדידת זמן משום שהם עושים זאת באופן מדויק ביותר – שעון אטומי יצבור עיכוב של שנייה אחת בלבד אחרי כמיליארד שנים. בשנים האחרונות החלו חוקרים לפתח טכנולוגיה חדשה למדידת זמן, שמשתמשת בתכונותיהם של גרעיני אטומי תוריום. הטכנולוגיה הזו מבטיחה דיוק גדול פי אלף משעון אטומי רגיל.
שבעה מקלות
איך בעצם מודדים זמן, או כל גודל אחר? העיקרון פשוט: משווים אותו לגודל ידוע. נניח שברצוננו למדוד את המרחק מדלת הכניסה לבית לחדר השינה. כל שעלינו לעשות הוא לקחת מקל באורך מסוים ולספור כמה פעמים הוא נכנס במרחק זה. תחילה נניח אותו כך שהוא נוגע בדלת, ונסמן להיכן הקצה שלו הגיע. אחר כך נרים אותו ונניח אותו במקום שבו סימנו, ונסמן להיכן מגיע הקצה שלו עכשיו וכן הלאה. כשנגיע לחדר השינה נספור את כמות הסימונים ונכריז בגאווה: "המרחק בין דלת הכניסה לחדר השינה הוא שבעה מקלות". למעשה, גם כשאנחנו מודדים מרחקים במטרים אנחנו פשוט משווים את המרחק שאנחנו מודדים למקל באורך מסוים שמספר מדינות הסכימו עליו כיחידת מידה מקובלת.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
חיסוני השפעת: למה צריך לחדש אותם מדי שנה?
כמה זמן נשאר לנו? תשאלו את השעון
התרבות המשותפת שלנו ושל הניאנדרטלים
לרוע המזל, אורכם של רוב הדברים בעולם איננו מספר שלם של מטרים, ולכן נרצה להשתמש בעוד יחידת מידה, קצרה יותר. כדי לעשות זאת אנחנו צריכים להבין מה היחס בינה לבין המטר, והדרך לעשות זאת היא די דומה: ניקח מקל הרבה יותר קצר, למשל קיסם שיניים, ונמדוד באמצעותו את מקל המטר שלנו. אם נגלה שהקיסם נכנס עשר פעמים במקל המטר, נדע שאורכו של קיסם הוא עשירית המטר. אם הקיסם לא נכנס מספר שלם של פעמים באורך המקל (למשל, אם הוא נכנס רק תשע פעמים וקצת), נמדוד כמה פעמים הוא נכנס באורכם של שני מקלות, או שלושה, וכן הלאה, עד שנקבל יחס בין מספר שלם של קיסמים למספר שלם של מקלות.
יחידות מדידה קבועות
(צילום: Ann_Sereda/Shutterstock)
המקלות של הטבע
את השיטה הזו בדיוק אפשר להחיל על כל גודל פיזיקלי שנרצה למדוד, כולל זמן. למזלנו, הטבע נתן לנו “מקלות מדידה” ארוכים ושימושיים למדידת זמן: שנה ויממה. תרבויות עתיקות עקבו אחרי תנועת גרמי השמיים והבחינו כי רבים מהם חוזרים לאותו מקום בכל 365 לילות, וכך ביססו את השנה כיחידת זמן ארוכה. במהלך כל אחת מ-365 היממות הללו השמש עולה, שוקעת, ועולה שוב, מה שאפשר לתרבויות עתיקות למדוד זמן בצורה טובה מאוד במרווח כמעט קבוע. כמעט – משום ששעת הזריחה והשקיעה משתנה מעט מדי יום, ומשום שסיבוב כדור הארץ אורך מעט יותר מ-365 יממות. את היממה חילקו ל-24 חלקים שווים (שעות), שחולקו לדקות ושניות כשנוצר בהן צורך. עם הזמן הומצאו שעונים שהיו יכולים למדוד אותן. כך, למשל, שעונים מדויקים המבוססים על תנועתן של מטוטלות הומצאו במאה ה-18 ומדדו שניות על מנת לאפשר ניווט ימי, ושעוני קוורץ שפותחו במאה ה-20 מסוגלים למדוד מאיות של אלפיות השנייה והם הבסיס לאלקטרוניקה המודרנית. הכלים האלה סייעו לנו להבין שמשך השנה קרוב יותר ל-365 יממות ורבע, ואורכם של היום והלילה משתנה לאורך השנה.
ככל שהטכנולוגיה התפתחה, כך עלה הצורך בשעונים מהירים ומדויקים יותר. למשל, רשתות תקשורת, כמו רשת האינטרנט והרשת הסלולרית, מניחות שהצד ששולח את ההודעה מעביר מידע בקצב קבוע, והצד שמקבל את ההודעה מנסה לקרוא אותו באותו קצב קבוע. שני הצדדים זקוקים לשעונים מדויקים על מנת להיות מסוגלים לעשות זאת בצורה טובה ובלי שגיאות. שעונים מדויקים ממלאים תפקיד חשוב גם בחיישנים מסוגים שונים, ובפרט במערכות ניווט לוויניות (GPS).
קפסולה המכילה צזיום, אשר שימש את השעון האטומי של הלשכה הלאומית לתקנים וטכנולוגיה בארצות הברית. השעון האטומי סופר את מיליארדי התנודות של אטומי צזיום בשנייה
(צילום: National Institute of Standards and Technology)
שעונים אטומיים
באמצע המאה ה-20 פותחו השעונים האטומיים, שהם, בינתיים, השעון המדויק ביותר הידוע לאנושות. אם נחזור לדימוי המקלות, השעון האטומי מתפקד בתור הקיסם הקטן שאנחנו משווים ליחידת מידה גדולה יותר. לפי תורת הקוונטים, כל אטום יכול לבלוע פוטונים, חלקיקי אור, בתדירויות מסוימות בלבד, ובליעתם גורמת לאלקטרון שמקיף את גרעין האטום לשנות את צורת מסלולו. אם נאיר על האטום ונשנה בהדרגה את תדירות הגל, נוכל לגלות את התדירות שבה האטומים מגיבים בעוצמה הרבה ביותר. כך האטומים יכולים לעזור בזיהוי תדירות מדויקת ולשמור עליה: אם הגל סוטה מהתדירות המתאימה, האטומים יגיבו אחרת, ונוכל לזהות ולתקן זאת.
כך האטום יכול לשמש נקודת ייחוס לשעון: הוא מאפשר לנו לזהות תדירות מסוימת ומהירה מאוד. ה"שעון" האטומי מתקתק בקצב שיכול לנוע בין ג'יגה הרץ (מיליארד פעמים בשנייה) למאות טרה הרץ (כמיליון מיליארדי פעמים בשנייה), בהתאם לתדירות האור שהאלקטרון בולע. כעת, כפי שעשינו עם המקלות, נוכל "לספור" כמה פעמים התקתוק המהיר של תדירות האור נכנס בתקתוק איטי יותר, של שעון קוורץ למשל, מה שייתן לנו שעון מהיר ומדויק.
היתרון הגדול ביותר בשעונים אטומיים הוא שכל האטומים מאותו סוג זהים זה לזה. מכאן שאם נרצה להשתמש באטומי צזיום-133 עבור בניית שעון אטומי, לא משנה איפה מצאנו את אטום הצזיום ואיך הוא נוצר; אם בגרעין שלו 78 ניטרונים ו-55 פרוטונים, הוא יוכל לשמש אותנו כשעון שמתקתק באותה תדירות בדיוק כמו של כל אטום צזיום-133 אחר. העובדה הזו, בשילוב עם הדיוק והיציבות של שעונים אטומיים, שנובעים משנים של פיתוח במעבדות ברחבי העולם, הובילו לכך שבשנות ה-60 השנייה הוגדרה לפי שעון צזיום: לפי ההגדרה של הלשכה הבינלאומית למידות ומשקלות (BIPM), השנייה היא יחידת זמן המוגדרת לפי 9,192,631,770 פעימות של תדירות האור שנפלט בעת המעבר של אלקטרון שמקיף אטום צזיום-133 בין שני מסלולים מסוימים.
בניגוד לשעון אטומי, שעון גרעיני כמעט ולא מושפע מתנאים סביבה כמו שדות חשמליים ומגנטיים או טמפרטורה. הדמייה של גרעין תוריום-229, בו משתמשים חוקרים לפיתוח שעון גרעיני
(איור: TU Wien)
שעונים גרעיניים
על אף הדיוק והיתרונות של השעונים האטומיים, הצורך לבודד אותם היטב מרעשי הסביבה מגביל אותם: שדות חשמליים ומגנטיים יכולים לשנות את תדירות השעון, ויחסי גומלין עם הסביבה, כמו התנגשות של האטום עם חלקיקים אחרים בסביבתו, יכולים לפגוע בדיוק שלו. על כן, שעונים אטומיים בדרך כלל בנויים בתוך תאי ריק (ואקום) מבודדים היטב. במשך שנים חיפשו מדענים פתרון לבעיה הזו, ובשנות ה-70 הועלתה הצעה לשעון מסוג אחר: שעון שיתבסס על המעבר בין רמות אנרגיה של פרוטון בגרעין של האטום במקום באלקטרון שמקיף אותו. שעונים כאלה מכונים שעונים גרעיניים.
היתרון בשעונים גרעיניים הוא שהאלקטרונים הרבים שמקיפים את גרעין האטום מבודדים אותו היטב מהסביבה. לכן תדירות "השעון" שמבוסס עליו, כלומר תדירות האור שאותה יבלע לטובת מעבר בין מסלולים סביב האטום, כמעט אינה מושפעת משדות חשמליים ומגנטיים, מהטמפרטורה המקומית, מהתנגשויות עם חלקיקים בסביבה וכן הלאה. למרבה הצער, תדירות השעון של מרבית הגרעינים האטומיים מתאימה לאור בתחום קרינת רנטגן, שאיננו יודעים ליצור אותו ולשלוט בו במדויק. מהפכת השעונים הגרעיניים החלה כאשר בשנות ה-70 העריכו פיזיקאים כי מעבר בין מצבים פיזיקליים שונים של גרעין תוריום-229 מתאים לאור בתחום העל-סגול, שבו קל לנו יותר לשלוט, מה שעשוי לאפשר שימוש בו כשעון. נדרשו מספר עשורים של פיתוחים בתחום הלייזר והאופטיקה, עד שבשנת 2003 הציעו הפיזיקאים הגרמנים אקהרד פייק (Peik) וכריסטיאן טאם (Tamm) תוכנית למימוש שעון גרעיני. בשנת 2022 נמדדה לראשונה תדירות האור העל-סגול שנפלט מתוריום-229 באופן מדויק, וביוני 2026 דיווחו שתי קבוצות מחקר, אחת מסין ואחת מאוסטריה (בהובלתו של פייק), כי הצליחו לבנות שעון גרעיני. שני המאמרים שמתארים את הפיתוחים הללו נמצאים כעת בתהליך ביקורת עמיתים.
שעון יום הדין, המסמל את גודל הסכנה ממלחמה גרעינית או קטסטרופה עולמית כוללת אחרת
(צילום: Pablo Martinez Monsivais/AP)
האתגרים בפיתוח השעון היו רבים: נדרשה היכולת לבודד גרעיני תוריום-229 על מנת למדוד במדויק את תדירות השעון שלהם. לאחר מכן פיתחו החוקרים שיטות להטמעת הגרעינים בתוך גביש שקוף, כך שאפשר יהיה להשתמש בשעון באוויר הפתוח, ללא מיסוך מיוחד משדות חשמליים ומגנטיים וללא צורך בתאי ואקום לבידוד מהסביבה. לבסוף נדרש פיתוח של לייזר באורך הגל המדויק המתאים לתדירות השעון של התוריום. בנוסף, כל התהליך נדרש לאמצעי מדידה מדויקים מאוד, כדי שלא יתווספו שגיאות מלאכותיות לשעון המדויק. בשילוב כל הכלים הללו, השעונים הגרעיניים שנבנו מספקים דיוק גבוה מאוד: השעונים הגרעיניים שנבנו יצברו עיכוב של שנייה אחת בלבד על פני 300 מיליון שנים, ובאמצעות שיפור הכלים הקיימים הדיוק שלהם צפוי להשתפר פי אלף.
נראה ששתי קבוצות המחקר הצליחו לבנות שעונים גרעיניים מתפקדים לאחר כחמישה עשורים של מאמץ מדעי אינטנסיבי. שעונים אלו צפויים להיות השעונים המדויקים ביותר שנבנו בכדור הארץ, להחליף את השעונים האטומיים בתור קנה המידה העולמי, ולשמש בין היתר גם למדידות מדויקות של תופעות אקזוטיות הדורשות דיוק גבוה מאוד. יתרה מכך, בניגוד לשעונים האטומיים שמשמשים אותנו כיום, הם אינם דורשים בידוד מוחלט מהסביבה. מעבר לחשיבות המדעית, שעונים מהירים ומדויקים יכולים לאפשר פיתוח טכנולוגיות חדשות והעברת מידע בקצב גבוה.
עמית פנדו, מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
