שעון אינו מודד זמן. הוא סופר.

אין בעולם מכשיר שמודד זמן ישירות, כמו שסרגל מודד אורך. מה שיש זה מכשירים שסופרים. בוחרים אירוע שחוזר על עצמו בקצב קבוע, סופרים כמה פעמים הוא קרה, ומחלקים במספר ידוע כדי לקבל שנייה.

לכן לכל שעון, מכל סוג, יש אותם שלושה חלקים. מתנד, שהוא הדבר שחוזר. מונה, שסופר את החזרות. ותצוגה, שמתרגמת את הספירה למשהו שאדם יודע לקרוא.

ההבדל בין שעון גרוע לשעון מצוין נמצא כמעט כולו בחלק הראשון. מטוטלת של שעון קיר מתנדנדת בערך פעם בשנייה, ובדרך מושפעת מטמפרטורה, מחיכוך ומכמה היא בדיוק מאוזנת. גביש קוורץ בשעון יד רועד 32,768 פעמים בשנייה, וזה מספר שנבחר כי הוא חזקה של שתיים ולכן קל לחלק אותו בחומרה. בשעון אטומי המונה סופר כמעט עשרה מיליארד אירועים בכל שנייה.

למה דווקא אטום

לאטום יש תכונה שאי אפשר לקנות בשום בית חרושת: שני אטומי צזיום הם אותו דבר. לא דומים, לא מכוילים זה לזה. זהים. הם לא נשחקים, הם לא מזדקנים, ואין ביניהם הבדלי ייצור.

האלקטרונים באטום יכולים לשבת רק ברמות אנרגיה מסוימות, לא בכל ערך. כדי לעבור מרמה לרמה האטום צריך לבלוע בדיוק את הפרש האנרגיה, ולקרינה אלקטרומגנטית הפרש אנרגיה הוא תדר. לכן לכל מעבר באטום יש תדר משלו, והתדר הזה נקבע על ידי טבעו של האטום בלבד.

מכאן נובעת ההגדרה הרשמית של השנייה משנת 1967: שנייה אחת היא משך הזמן שבו הקרינה המתאימה למעבר מסוים בצזיום 133 משלימה 9,192,631,770 מחזורים. המספר נראה שרירותי מפני שהוא אכן שרירותי. בחרו אותו כך שהשנייה החדשה תהיה שווה לשנייה האסטרונומית שהייתה נהוגה קודם.

שימו לב להיפוך. פעם מדדו את תדר האטום לפי השנייה. היום מודדים את השנייה לפי תדר האטום.

ככל שסופרים מהר יותר, אפשר לדייק יותר

למה בכלל לרצות מתנד מהיר? דמיינו שאתם מודדים אורך בסרגל. סרגל שמחולק לסנטימטרים נותן תשובה גסה יותר מסרגל שמחולק למילימטרים, כי טעות של חריץ אחד שווה פחות.

אותו דבר בזמן. אם המתנד חוזר מיליארד פעמים בשנייה, טעות של מחזור אחד עולה מיליארדית השנייה. אם הוא חוזר פי מאה יותר מהר, אותה טעות עולה פי מאה פחות. זו הסיבה היחידה שבגללה שעונים אופטיים טובים משעוני צזיום.

שעון צזיום משתמש במעבר בתחום המיקרוגל, בערך 9.2 מיליארד מחזורים בשנייה. שעון אופטי משתמש במעבר של אור נראה, מאות טריליוני מחזורים בשנייה, בערך פי חמישים אלף יותר. שם נמצאים כיום השעונים הטובים בעולם. ההגדרה הרשמית של השנייה עדיין נשענת על צזיום, והיא צפויה להתעדכן.

המעבר הגרעיני בתוריום 229 נמצא עוד מעלה, באולטרה סגול הרחוק, בערך שני פטה-הרץ. זה כשני מיליון מיליארד מחזורים בשנייה.

דיוק ויציבות אינם אותו דבר

שני המושגים האלה מתערבבים כל הזמן בסיקור, והם לא אותה שאלה.

יציבות אומרת כמה התשובה חוזרת על עצמה. שעון יציב נותן אותה מדידה שוב ושוב, גם אם כולן שגויות באותו שיעור. זה מה שחשוב כשרוצים להשוות שני זמנים או למדוד הפרש.

דיוק אומר כמה התשובה קרובה לאמת. שעון מדויק אינו סוטה מהתדר האמיתי של המעבר, וכדי לדעת את זה צריך לחשב בדיוק את כל ההפרעות שהסביבה מכניסה ולהחסיר אותן.

שעון שממהר בדיוק שנייה ביום הוא יציב מאוד ולא מדויק כלל. בפועל אפשר לתקן אותו בקלות. שעון שסוטה אקראית בחצי שנייה לכל כיוון מדויק בממוצע וחסר תועלת. זו הסיבה שבפרסומים מדעיים מוצאים את שני המספרים, וזו גם הסיבה שהידיעה בגיליון הזה מדגישה שהניסוי בתוריום אינו שעון שרץ אלא שיטת מדידה.

למה מחפשים חלופה דווקא כשהשעונים טובים כל כך

בשעון אטומי רגיל הדבר שנספר הוא מעבר של אלקטרון, והאלקטרונים יושבים בחוץ. הם החלק של האטום שפוגש את העולם.

לכן כל שדה חשמלי או מגנטי בסביבה מזיז מעט את רמות האנרגיה, ובכך מזיז את התדר. גם קרינת החום של דפנות המכשיר עושה זאת, וגם תנועה של האטומים עצמה. התיקון לכל אלה הוא מה שהופך שעון אטומי טוב למערכת גדולה, יקרה ועמוסה במגנים, במשאבות ואקום ובקירור בלייזר.

במילים אחרות, רוב המאמץ בשעון אטומי אינו הולך על הספירה. הוא הולך על לבודד את מה שסופרים.

הגרעין יושב במרכז, והוא קטן מהאטום בערך פי עשרת אלפים. ענן האלקטרונים שסביבו מסכך אותו מפני שדות חיצוניים. בנוסף, הרגישות של הגרעין לשדה מגנטי קטנה בהרבה מזו של אלקטרון, משום שהיא תלויה במסה של החלקיק, והפרוטון כבד מהאלקטרון בערך פי 1,836. לכן מעבר גרעיני מושפע פחות מעצם טבעו, לפני שבונים מסביבו שום מיגון.

למה דווקא תוריום 229

אם מעברים גרעיניים כל כך נוחים, למה אין שעונים כאלה כבר עשרות שנים? מפני שכמעט בכל גרעין בטבע הפרש האנרגיה בין המצבים גדול מדי. הוא נמדד במיליוני אלקטרון וולט, בתחום קרינת הגמא, ואין לייזר שיודע לעורר כזה מעבר בצורה מבוקרת.

תוריום 229 הוא חריג יחיד כמעט. יש לו מצב מעורר נמוך בצורה יוצאת דופן, בסדר גודל של שמונה אלקטרון וולט, שזה אולטרה סגול רחוק ולא גמא. זה בטווח שאפשר להגיע אליו בלייזר, ולכן הוא היחיד שמציע מעבר גרעיני שאפשר לכוון אליו.

זה גם מסביר למה זה לקח זמן. במשך עשרות שנים אפילו לא ידעו את האנרגיה במדויק, והחיפוש אחריה היה כמו לחפש תחנת רדיו אחת כשהחוגה משתרעת על טווח עצום. רק בשנים האחרונות צומצם הטווח מספיק כדי שהעירור יהיה בר ביצוע.

הידיעה בגיליון הזה היא צעד בתוך הסיפור הזה, לא סופו. היא עוסקת באיך מודדים את המעבר ביעילות, ובאיתור אתר בגביש שבו השדה החשמלי המקומי קטן מספיק כדי שהמעבר יהיה יציב. שעון גרעיני שעובד ברציפות ומתחרה בשעונים האופטיים עוד לא קיים.

מה בכלל קונים בדיוק כזה

השאלה הסבירה היא למי אכפת משנייה אחת במיליארד שנים. התשובה היא שכמעט אף אחד מהשימושים אינו קשור לדעת מה השעה.

ניווט. מערכות לוויין עובדות על הפרשי זמן בין אותות, והשגיאה במיקום היא בדיוק מהירות האור כפול שגיאת הזמן. שעון טוב מספיק שאפשר לשאת אותו ברכב או בספינה מאפשר לשמור על מיקום גם כשאין קליטה מלוויין, או כשהאות משובש בכוונה.

מדידת גובה. לפי תורת היחסות הכללית זמן עובר לאט יותר קרוב למסה, ולכן שעון על הרצפה מפגר אחרי שעון על השולחן. ההפרש נמדד כבר היום בהפרש גובה של סנטימטרים. מכאן אפשר למדוד את שדה הכבידה של כדור הארץ, ובעקיפין מה שיש מתחת לאדמה.

ולבסוף שאלה בסיסית. חלק מהתיאוריות מציעות שקבועי הטבע אינם קבועים לגמרי אלא משתנים לאט מאוד. מעבר גרעיני רגיש לאותם קבועים באופן אחר לגמרי ממעבר אלקטרוני, ולכן אם יריצו את שני סוגי השעונים זה מול זה למשך שנים ויימצא הפרש שהולך וגדל, זו תהיה ראיה. אם לא יימצא, זו תהיה מגבלה הדוקה יותר. בשני המקרים זו תשובה.