נמאס לך שעוני היד שלך מאבדים זמן עם חלוף השנים? שעון אטומי חדש, שהוא המדויק ביותר אי פעם, משתמש באטומי ytterbium ולייזרים כדי להגדיר במדויק שנייה. תמונה באמצעות משתמש פליקר Earls37a
אם השעון על פרק כף היד שלך התרוצץ איטי בחמש דקות במהלך שנה, כנראה שלא היית חושב על זה משהו. אבל מדענים ומהנדסים מסתמכים על שעונים אטומיים מדויקים במיוחד עבור מגוון יישומים, והחתירה אחר שעונים מדויקים יותר ויותר נמשכה כבר אלפי שנים.
כעת, קבוצת חוקרים בראשות אנדרו לודלו מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה קבעה את הרף גבוה מתמיד. השעון האטומי החדש ביותר שנחשף אתמול צפוי להיות לא מדויק בפרק זמן של 1.6 שניות לאחר שרץ בסך הכל 10 18 שניות - או במילים אחרות, הוא מאבד שנייה שלמה במהלך 50.8 מיליארד שנים. .
במאמר המתאר את שעוןם, החוקרים סיפקו זוג אנלוגיות לרמת דיוק זו: "שווה לציון גיל היקום הידוע לדיוק של פחות משנייה", כתבו, "או שקוטר כדור הארץ לפחות מאשר רוחב האטום. "
כמו כל השעונים, גם שעונים אטומיים שומרים על זמן קבוע על ידי ביסוס משך שנייה מחוץ לאירוע פיזי שקורה בסדירות. בעוד שעונים מכניים משתמשים בהנעה של מטוטלת כדי לשמור על זמן, שעונים אטומיים משתמשים במנגנון המתרחש בסדירות עוד יותר: התדר הספציפי של האור הדרוש כדי לגרום לאטום לנוע בין שני מצבי אנרגיה (ספציפית, לצאת ממצב קרקעי) למצב נרגש), שהוא תמיד ערך אחיד. לדוגמא, התקן הבינלאומי הנוכחי המגדיר את משך שנייה הוא 9, 192, 631, 770 מחזורים של כמות קרינת המיקרוגל הגורמת לאטום צזיום לנוע בין שתי מצבי האנרגיה ותוך כדי כך לפלוט אור רב ככל האפשר.
עם זאת, כמה גורמים יכולים לעוות אפילו את המדידות הקפדניות ביותר של תדר זה. מה שעשו החוקרים שעומדים מאחורי השעון החדש הזה הוא ליצור עיצוב חדשני (באמצעות אלמנט שונה) שממזער את העיוותים הללו יותר מכל שעון שקודם לכן.
העיצוב שלהם, המכונה "שעון סריג אופטי", לוכד אטומי ytterbium בתוך ארגז סריג של קרני לייזר. האטומים מוחזקים במקום מופגזים על ידי לייזר מסוג שני, מה שמאלץ את האלקטרונים שלהם לקפוץ לגובה האנרגיה. חיישן בודק כדי לוודא שכל האטומים מגיעים לרמת האנרגיה הגבוהה יותר, ותדר האור המדויק הדרוש בכדי להכריח אותם לעשות כן מומר לאורך המדויק של שניה.
בדרך כלל, כל תנועה פיזית קלה של האטומים בזמן שהם מופגזים עלולה להוביל לשינויים עדינים בתדירות האור הנדרשת כדי להעלות את רמת האנרגיה שלהם (תוצאה של שינוי דופלר), ולזרוק את הדיוק של השעון. אולם, כפי שתואר בסקירת ה- MIT Technology, בה פורסם לראשונה חדשות על השעון, קופסת קרני הלייזר "מחזיקה את האטומים באחיזה דמוית סגן שממזערת את כל ההשפעות של דופלר." בנוסף, הסריג לוכד מספר גדול יחסית. של אטומים (בין 1, 000 ל -1, 000, 000) בהשוואה לרוב השעונים האטומיים, כך שממוצע כמות הקרינה הדרושה להעלאת כל אחד מאלו לרמת האנרגיה הגבוהה יותר מספק ערך מדויק יותר לתדר המדויק של הקרינה, המשמש אז לקביעת זמן.
בהשוואה לשני שעונים כאלה יחד, מצאו המחברים משהו ראוי לציון - כל "תקתק" מודד את פרקי הזמן בצורה מושלמת כך ששעון אחד ישהה רק אחרי הזמן האמיתי בעשירית השנייה כאשר השמש שלנו עוטפת את כדור הארץ כשהוא מתפתח לאדום ענק בערך 5 מיליארד שנים מהיום.
השעון החדש הזה - והשכלול הדרגתי של שעונים אטומיים בכללותם - אולי נראה כמו מרדף אקדמי גרידא, אך במציאות ישנם המון יישומים שימושיים מאוד של הטכנולוגיה. קח, למשל, את היישום "מפות" בטלפון שלך. ללא היכולת לסנכרן מקרוב שעונים על פני מרחקים גדולים, מערכת ה- GPS לא הייתה מסוגלת לעבוד, מכיוון שהיא מסתמכת על ההשוואה המדויקת של הזמן שלוקח לאותות לנסוע מכמה לוויינים שונים להתקן המאפשר GPS שלך.
עיסוקים עתידיים שיכולים להשתמש בהתקדמות החדשה הזו בטכנולוגיית השעון האטומי עשויים ליפול במדע הגיאודזיה, המנסה למדוד במדויק שינויים זעירים בצורת כדור הארץ ובשדה הכבידה שלו לאורך זמן. כל השעונים מתקתקים בקצב איטי ביותר בגובה הים מאשר בגובה של קילומטר, מכיוון שכוח הכובד חזק יותר כשקרוב יותר לכדור הארץ. נכון לעכשיו, עם שעוני האטום המתוחכמים ביותר, ניתן למדוד את ההבדל במהירות הזו רק כאשר הגובה משתנה באלפי מטרים, אך בעזרת השעון החדש ניתן יהיה לזהות אותם כאשר השעון מוגבה או יוריד בסנטימטר בלבד, מה שהופך את המערכת עשוי להיות שימושי למדידת שינויים קלים בעובי קרח הקרח או בהעלאת רכסי הרים לאורך זמן עם התנגשות של צלחות טקטוניות.
