השעון האטומי מגיע בזנים רבים. חלקם הם אלקטרוניים בגודל שבב, שפותחו עבור הצבא אך זמינים כעת באופן מסחרי, בעוד שעוני אטום גדולים ומדויקים יותר עוקבים אחר זמן על לווייני GPS. אבל כל השעונים האטומיים פועלים על אותו עיקרון. אטומים טהורים - חלק מהשעונים משתמשים בצזיום, ואחרים משתמשים באלמנטים כמו רובידיום - יש מספר מסוים של אלקטרונים ערכיים, או אלקטרונים במעטפת החיצונית של כל אטום. כאשר נפגעים האטומים בתדר ספציפי של קרינה אלקטרומגנטית (גלים של אור או מיקרוגלים, למשל), האלקטרונים הערכיים עוברים בין שני מצבי אנרגיה.
בשנות השישים, מדענים פנו ממדידת זמן בהתבסס על מסלוליהם וסיבוביהם של גופות שמימיות והחלו להשתמש בשעונים אלה על בסיס עקרונות מכניקת הקוונטים. זה אולי נראה כדרך מוזרה למדידת זמן, אך משך הזמן המספר הספציפי לתנודות, או "קרציות", בגל של קרינה אלקטרומגנטית הוא השיטה הרשמית שלפיה מדענים מגדירים את השנייה. באופן ספציפי, שנייה היא משך הזמן של 9, 192, 631, 770 תנודות של לייזר מיקרוגל שיגרום למעבר אטומי צזיום.
אבל יש לנו שעונים אטומיים טובים אפילו יותר מאלו המודדים צזיום.
"אם שני שעוני הרחוב שלנו היו מתחילים בתחילת היקום, בשלב זה הם היו חולקים אחד על השני בפחות משנייה אחת", אומר וויליאם מקגרו, פיזיקאי במכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ), בדוא"ל.
שעון אטומי סריג חיצוני יציב במיוחד של NIST. אטומי יתרטרביום נוצרים בתנור (צילינדר מתכת גדול בצד שמאל) ונשלחים לתא ואקום במרכז התצלום כדי לתמרן ולבדוק על ידי לייזרים. אור לייזר מועבר לשעון על ידי חמישה סיבים (כמו הסיב הצהוב במרכז התחתון של הצילום). (ג'יימס בורוס / NIST) שעוני ytterbium ב- NIST, Yb-1 ו- Yb-2, הם סוג ייחודי של שעון אטומי המכונה שעון סריג אופטי. בעיקרו של דבר, השעונים משתמשים בקרינה אלקטרומגנטית בתדר האופטי, או בלייזרים, בכדי ללכוד אלפי אטומי ytterbium ואז לגרום לאלקטרונים החיצוניים שלהם לעבור בין מצב אנרגיה קרקעית למצב אנרגיה נרגש. בהשוואה לצזיום, יש צורך בתדר גבוה יותר של קרינה אלקטרומגנטית בכדי לגרום למעבר של חיצוני.
כל הגלים האלקטרומגנטיים, החל מגלי רדיו לקרני גאמא, וכל האור הנראה בין לבין, הם אותו סוג של גלי המורכב מפוטונים - ההבדל הוא פשוט שגלים עם תדרים גבוהים יותר מתנדנדים במהירות רבה יותר. גלי מיקרוגל, המשמשים למעבר צזיום, נמתחים לאורכי גל ארוכים יותר ולתדרים נמוכים יותר מאור גלוי. השימוש באטומים שעוברים בתדרים גבוהים יותר הוא המפתח לבניית שעון טוב יותר. בעוד ששנייה כרגע היא כ- 9 מיליארד תנודות של מיקרוגל, אותו משך זמן ייצג על ידי קרוב יותר ל 500 טריליון תנודות של גל אור גלוי, מה שישפר את יכולת המדענים למדוד בדיוק את הזמן.
אם לייזר המדידה בשעון ytterbium מחובר לתדר המתאים בדיוק, אטומי ytterbium יקפצו למצב האנרגיה הנרגש. זה קורה כאשר הלייזר נמצא בתדר של 518, 295, 836, 590, 863.6 הרץ בדיוק - מספר ה"קרציות "בשנייה אחת.
"זה תואם אורך גל של 578 ננומטר, שנראה צהוב לעין, " אומר מקגרו.
מדידות חדשות עם Yb-1 ו- Yb-2, בהובלת הצוות של מקגרו ב- NIST, השיגו שיאים חדשים בשלושה תחומי מפתח של דיוק מדידה, ומייצרים, מבחינות מסוימות, את המדידות הטובות ביותר של השניה שהושגה אי פעם. באופן ספציפי, השעונים קבעו שיאים חדשים לחוסר וודאות שיטתי, יציבות ושחזור. המדידות החדשות מפורטות במאמר שפורסם היום ב- Nature .
שעוני האופטי ytterbium מדויקים עוד יותר בהיבטים אלה מאשר שעוני מזרקת צזיום המשמשים לקביעת הגדרת השניה. שעוני ytterbium הם מבחינה טכנית לא מדויקים יותר מאשר שעוני הצזיום, שכן הדיוק הוא ספציפית עד כמה המדידה קרובה להגדרה הרשמית, ושום דבר לא יכול להיות מדויק יותר מאשר שעוני הצזיום עליהם מתבססת ההגדרה. עם זאת, מדד המפתח כאן הוא אי וודאות שיטתית - מדד לאופן הדוק של השעון מממש את התנודה הטבעית האמיתית, ללא הפרעה, של אטומי ytterbium (התדר המדויק שגורם להם לעבור).
המדידות החדשות תואמות את התדר הטבעי בשגיאה של 1.4 חלקים ב- 10 18, או כמיליארד מיליארד. שעוני הצזיום השיגו רק אי וודאות שיטתית בערך חלק אחד מתוך 10 16 . אז בהשוואה לשעוני הצזיום, מדידות ytterbium החדשות "היו טובות פי מאה", אומר אנדרו לודלו, פיזיקאי של NIST ומחבר משותף לעיתון.
האתגר עם סוגים אלה של מדידות הוא התמודדות עם גורמים חיצוניים שיכולים להשפיע על התדר הטבעי של אטומי ytterbium - ומכיוון שמדובר בכמה מהמדדים הרגישים ביותר שהושגו אי פעם, כל השפעה פיזית של היקום היא גורם. "כמעט כל דבר שנוכל לחשוב עליו כרגע באופן שרירותי משפיע בסופו של דבר על תדר התנודה של האטום, " אומר לודלו.
ההשפעות החיצוניות שמעבירות את התדר הטבעי של השעונים כוללות קרינת גוף שחור, כוח משיכה, שדות חשמליים והתנגשויות קלות של האטומים. "אנו מבלים הרבה מזמננו בניסיון לעבור בזהירות ו ... להבין בדיוק את כל ההשפעות הרלוונטיות לבלגן בקצב המתקתק של השעון - תדר המעבר הזה - ונכנסים ומבצעים מדידות של אלה שעל האטומים בפועל. לאפיין אותם ולעזור לנו להבין כמה טוב אנחנו באמת יכולים לשלוט ולמדוד את האפקטים האלה. "
כדי להפחית את השפעות הגורמים הפיזיים הטבעיים הללו, אטומי ytterbium, המופיעים באופן טבעי במינרלים מסוימים, מחוממים תחילה למצב גזי. ואז משתמשים בקירור לייזר להפחתת הטמפרטורה של האטומים ממאות מעלות קלווין לכמה אלפי מעלות, ואז מקוררים עוד יותר לטמפרטורות של בערך 10 מיקרו-קלווין, או 10 מיליון מעלות מעל לאפס מוחלט. לאחר מכן נטענים האטומים לתא ואקום וסביבת מיגון תרמי. לייזר המדידה קורן דרך האטומים ומשתקף חזרה בעצמו, ויוצר את "הסריג" הלוכד את האטומים בחלקים אנרגטיים גבוהים של גל אור עומד במקום גל רץ, כמו מצביע לייזר טיפוסי.
שיפור ה"יציבות "וה"התרבותיות" של המדידות, שעליהן שעוני הרחם גם קבעו שיאים חדשים, עוזר להסביר עוד יותר את כל הכוחות החיצוניים שמשפיעים על השעונים. יציבותם של השעונים היא למעשה מדד לכמות התדר משתנה לאורך זמן, שנמדד עבור Yb-1 ו- Yb-2 על 3.2 חלקים ב- 10 19 במהלך יום. הדדיות היא מדד לאופן קרוב שני השעונים תואמים זה את זה, ובאמצעות 10 השוואות נקבע כי הפרש התדרים בין Yb-1 ל- Yb-2 הוא פחות ממיליארד המיליארד.
"זה חיוני שיש שני שעונים", אומר מקגרו. אי הוודאות מתאפיינת בבחינת כל משמרת שעלולה לשנות את תדר המעבר. עם זאת, תמיד קיימת האפשרות של 'אלמונים לא ידועים', משמרות שטרם הובנו. על ידי שתי מערכות, ניתן לבדוק את אפיון אי-הוודאות שלך על ידי בדיקה אם שתי המערכות העצמאיות מסכימות זו עם זו. "
דיוק כזה במדידת זמן משמש כבר מדענים, אך היישומים המעשיים של מדידות משופרות של השנייה כוללים התקדמות בניווט ותקשורת. אף על פי שאיש לא יכול היה לדעת זאת באותה תקופה, העבודה המוקדמת עם שעונים אטומיים באמצע המאה ה -20 תאפשר בסופו של דבר את מערכת המיקום הגלובלי וכל ענף וטכנולוגיה הנשענים עליה.
"אני לא חושב שיכולתי לחזות לחלוטין אילו יישומים בעוד 20 או 50 שנה יפיקו את המרב מכך, אבל אני יכול לומר שכאשר אני מסתכל אחורה בהיסטוריה, לא ציפו כמה מההשפעות העמוקות ביותר של שעונים אטומיים כיום, לודלו אומר.
הלייזרים הצהובים של אחד משעוני הסריג האופטי ytterbium של NIST. (נאט פיליפס / NIST) ניתן להשתמש בשעוני ytterbium גם במחקר פיזיקה מתקדם, כמו דוגמנות שדה בכבידה וגילוי אפשרי של חומר אפל או גלי כבידה. בעיקרו של דבר, השעונים רגישים עד כדי כך שניתן היה להבחין בהפרעה כלשהי כתוצאה משינויים בכוח הכוח או בכוחות פיזיים אחרים. אם מיקמת שעוני ytterbium מרובים ברחבי העולם, אתה יכול למדוד את שינויי הרזיה של הרגע (שהוא קרוב יותר לגובה הים וגם קרוב יותר לקטבים), ולאפשר למדענים למדוד את צורת שדה הכבידה של כדור הארץ בדיוק רב מתמיד לפני. באופן דומה ניתן היה לאתר אינטראקציה עם חלקיקי חומר אפל, או אפילו גלי כבידה המשפיעים על שני שעונים הפזורים זה מזה.
"מבחינה מדעית, אנו משתמשים כיום ברמת הדיוק המדהימה הזו בכמה ממחקרי הפיזיקה הבסיסיים הללו - מחפשים חומר אפל, מחפשים וריאציה של קבועי היסוד, מחפשים הפרות בכמה מהתיאוריות של איינשטיין ודברים אחרים. ... אם נגלה אי פעם הפרות [של חוקי הפיזיקה] על ידי שימוש בכלי המדידה המדהימים האלה, זה יכול להיות מחליף משחק ענק בהבנתנו את היקום, ולכן איך המדע והטכנולוגיה יתפתחו משם והלאה. "
בעשר השנים הבאות בערך, יתכן שמוסדות מדעי המדידה בעולם יחליטו להגדיר מחדש את השנייה על בסיס שעון אופטי ולא על שעון צזיום. הגדרה מחודשת כזו היא ככל הנראה בלתי נמנעת, מכיוון שלייזרים אופטיים פועלים בתדרים גבוהים בהרבה ממיקרוגל, מה שמגדיל את מספר ה"קרציות "של השעון הכלול בשנייה. מדידת שעון ytterbium עשויה להיות מועמדת טובה להגדרה חדשה, אולם שעוני סריג אופטי המשתמשים בכספית וסטרונציום הניבו תוצאות מבטיחות, ושעונים אופטיים של יונים, המתלים ומעבירים אטום בודד, מציגים אפשרות מסקרנת נוספת להגדרה חדשה.
המדידות הללו של תופעות אטומיות הולכות ומדויקות יותר, והיכן שהבנתנו המתפתחת את הזמן תיקח אותנו, אי אפשר לדעת.
