גלים אופטיים והשנייה הנוספת: כיצד משתנה סטנדרט מדידת הזמן

כמו כמויות אחרות, השני הוא רק מושג יחסי שמבוסס על הסכם לגבי

מה לשקול ככזה.במהלך מאות השנים, ככל שדיוק המדידה והתחכום של הטכנולוגיה התקדמו, האנושות השתמשה בגישות שונות למדידת זמן והגדרת מהי שנייה אחת.

בשנת 1875, 17 מדינות מובילות באותה תקופה, ביןשהיו, כולל, אוסטריה-הונגריה, האימפריה הרוסית והעות'מאנית, צרפת, גרמניה, ארצות הברית וברזיל, חתמו על האמנה המטרית - אמנה בינלאומית המבטיחה את אחדות תקני המדידה במדינות שונות. כדי לפתח עקרונות אחידים ולבצע מדידות ייחוס, מדינות יצרו את הלשכה הבינלאומית למשקלים ולמידות.

בכנס ה-27 לענייני משקלים ומידותנציגי מדינות שונות הסכימו כי ההגדרה המודרנית של השני מפסיקה לספק את הדיוק הנדרש של המדידות ודורשת עדכון. מפת הדרכים קובעת כי בפגישה הבאה בעוד ארבע שנים יצטרכו המדינות לבחור מערכת התייחסות חדשה ומדויקת יותר ולשנות את נוסח השני.

מדידות ראשונות של שנייה

במשך מאות שנים, אנשים מדדו זמן לפיסיבוב כדור הארץ. מהמצרים הקדמונים ועד לאסטרונומים היוונים ובבלים, האנושות שינתה בהדרגה את דיוק המדידות, שדרשו יחידות זמן חדשות, ועם התפתחות הטכנולוגיה, איחודן וסנכרון.

השעונים המכניים הראשונים שהופיעו בהמאה ה-14, לא היו אפילו דקות. החוגות חולקו לחצאים, לשלישים, לרבעים, ולפעמים אפילו ל-12 חלקי שעה, אך אף פעם לא ל-60. השעונים המכניים הראשונים שהראו דקות הופיעו לקראת סוף המאה ה-16. יחד עם זאת, בניגוד לשעוני שמש, שהראו זמן לכאורה, שעונים מכניים עברו לזמן ממוצע.

העובדה היא כי התנועה המסלולית של כדור הארץ מסביבהשמש מובילה לאורך לא אחיד של היום. זמן שמש לכאורה משתמש בזמן שבין שתי הפעמים שהכוכב שלנו נמצא בשיא שלו כהגדרתו ליום. במקרה זה, חלקים שברים (שעות ודקות) נקבעים על סמך תנועת השמש. 

למעשה, כאשר נמדד על סמךמערכות חלופיות, למשל, מספר התנועות של המטוטלת בשעון מכני, מסתבר שמשך ימים כאלה שונה. אורכו של יום שמש משתנה לאורך השנה, והאפקט המצטבר גורם לסטיות עונתיות של עד 16 דקות מהממוצע.

השעונים הראשונים שמראים שניות הופיעוהמחצית השנייה של המאה ה-16. שעון האביב המוקדם ביותר הידוע עם מחוג שני: מתוארך לסביבות 1560–1570. יחד עם זאת, כל האנלוגים הראשונים לא היו מדויקים מספיק. 

בשנת 1656, המדען ההולנדי כריסטיאן הויגנסהמציא את שעון המטוטלת הראשון. הייתה לו מטוטלת באורך של קצת פחות ממטר, מה שנתן לו תנופה של שנייה אחת, ומנגנון הדק שתקתק כל שנייה. מאמינים שזה היה השעון הראשון שיכול היה להראות במדויק את הזמן בשניות. 

שעון כיס הנליין, תחילת המאה ה-16. תמונה: המוזיאון הלאומי הגרמני

משבריר יממה ועד לסיבוב המסלול של כדור הארץ ולמדידות האטומיות

עד סוף המאה ה-19, הדיוק של מדידת שניותהגיעו לגבהים כאלה שהם היוו את הבסיס למערכת המטרית הבינלאומית של ה-ISS, אשר נקבעה על ידי הוועידה הכללית למשקלים ומידות ב-1889. המונה אושר כיחידת האורך הבסיסית, הקילוגרם למשקל והשני לזמן. האחרון הוגדר כ-1/86400 מהיום השמש הממוצע.

מאז מסלול כדור הארץ סביב השמשיציב יותר מהסיבוב של כוכב לכת סביב צירו, הגדרה זו שונתה מאוחר יותר ובאה לידי ביטוי במונחים של שבריר שנה: ⁄ 31,556,925.9747 שנים. במקביל, כדי לצמצם עוד יותר את אי הוודאות, נעשה שימוש בסולם זמן אפמרי, שחושב על סמך מיקומם של מסלולי כוכבי לכת וכוכבים בשנת 1900. 

בשנת 1967, לאחר עשרות שנים של מחקר,מדענים נטשו את שיטת הסיבוב של כדור הארץ והגדירו מחדש את הזמן, במקום למדוד את תנועות החלקיקים בתוך אטום. בפרט, ההגדרה הנוכחית משתמשת בתהודה בתדר הטבעי של צזיום-133 כדי לחשב. מאותו רגע, השני נקבע על ידי ערך מספרי קבוע של תדירות התנודות של אטום הצסיום.

איך עובד זמן אטומי?

סולמות זמן אטומיים מוקדמים כללושעוני קוורץ עם תדרים מכוילים באמצעות שעונים אטומיים בלבד. הם מבוססים על מערכת של אטומים שיכולה להיות באחד משני מצבי אנרגיה אפשריים. 

קבוצה של אטומים במצב אחד עוברתקרינת מיקרוגל. אם לקרינה יש את התדר הנכון, מספר אטומים ישתנו למצב אנרגיה שונה. ככל שהתדר קרוב יותר לתדר הרטט הטבעי של האטומים, יותר אטומים יחליפו מצבים. 

זה מאפשר כוונון תדרים מדויק מאוד.קרינת מיקרוגל. ברגע שקרינת המיקרוגל מכוונת לתדר ידוע, היא יכולה לשמש כמחולל תזמון למדידת זמן שחלף.

שעון אטומי בינלאומי הואממוצע משוקלל בזמן של יותר מ-450 שעונים אטומיים ביותר מ-80 מעבדות לאומיות ברחבי העולם. גישה זו מאפשרת לנו להימנע מעיוותים הקשורים להרחבת זמן כבידה. 

השעות במוסדות שונים מושוות באופן קבועזה עם זה באמצעות תקשורת לוויינית ו-GPS. ה-Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, צרפת) משלב מדידות אלה כדי לחשב ממוצע משוקלל רטרוספקטיבי שיוצר את סולם הזמן היציב ביותר האפשרי.

השעון האטומי הראשון בעולם. תמונה: מעבדה פיזית לאומית, נחלת הכלל, באמצעות ויקימדיה קומונס

מה הם רוצים לשנות?

התפתחות נוספת של הטכנולוגיה מאפשרת אפילו יותרלשפר עוד יותר את דיוק המדידה. לדוגמה, כחלופה לשעון הצזיום הקלאסי, פיסיקאים מציעים להשתמש בשעון אופטי. שעונים אלה משתמשים ב"תקתוק" בתדירות הגבוהה יותר של יסודות כמו סטרונציום ואיטרביום, מה שמאפשר להם לפרק את הזמן לנתחים קטנים עוד יותר.

הקושי עד כה נעוץ בעובדה שהפקידלא ניתן להפיק זמן באמצעות שעונים בלבד. מטרולוגים חייבים בממוצע קריאות של מאות שעות ברחבי העולם. עבור שעוני צסיום, ניתן להעביר את הזמן באמצעות אותות מיקרוגל, אך קרינה כזו היא בתדר נמוך מכדי לשדר תקתוק של שעון אופטי.

להיפך, העברת אותות דרך האוויר אלאורכי גל אופטיים אינם פשוטים כמו שליחת גלי מיקרו מכיוון שמולקולות באוויר סופגות אור בקלות, ומפחיתות באופן דרמטי את עוצמת האות. בנוסף, מערבולות יכולה לכוון את קרן הלייזר הרחק מהמטרה. 

עם זאת, שינויים בכיוון זההתקדמות, למשל, לאחרונה הציגו מדענים סינים את תוצאות עבודתם על סנכרון של שעונים אופטיים במרחק של 117 ק"מ. זה פי שבעה מהשיא הקודם. פיתוח נוסף בכיוון זה יעזור לשפר את הדיוק של קביעת השני פי 100 או יותר.

על פי החלטת הוועידה לענייני משקלים ומידותהמשתתפים מוזמנים להמשיך ולפתח שיטות חלופיות למדידה וסנכרון זמן.  על בסיסם יגובשו עד הישיבה הבאה ב-2026 הצעות לתקן ותקופת מעבר חדשה.

שעון אטומי אופטי איטרביום. תמונה: NIST

שנייה קפיצה

אם זו עדיין שאלה של התקן החדשמעט אי ודאות, ואז סוף סוף מתקבל שינוי נוסף שישפיע על הסטנדרטים הזמניים. כבר בשנת 2035, העולם צריך לנטוש שניות קפיצות.

העניין הוא שבמעבר למדידה מדויקתזמן בהתבסס על שעונים אטומיים, מדענים מצאו שהיום הממוצע אינו שווה ל-86,400 שניות סטנדרטיות. ההבדל הוא רק כמה אלפיות השנייה, אבל מצטבר עם הזמן.

הפתרון היה שניות קפיצות:תיקונים של שניה אחת הוחלו בסוף דצמבר או יוני על בסיס אד-הוק. השינויים תוכננו כדי להבטיח שמערכת שמירת הזמן שבה אנו משתמשים, זמן אוניברסלי מתואם (UTC), לעולם לא תהיה שונה ביותר מ-0.9 שניות מהזמן האטומי. 

מאחר ושינויים כאלה היו חד-פעמייםאופי, שניות "זינוק" יצרו קשיים גדולים עבור מערכות תוכנה, אנרגיה ולוויין. ראשית, קשה לחזות בדיוק מתי יש צורך בשנייה הזינוק הבאה, כך שמפתחי תוכניות לא יכולים להתכונן להחדרות מסודרות וקבועות. לכן, רשתות שונות פיתחו שיטות לא עקביות משלהן להכללת שנייה הזינוק.

יתר על כן, מחשוב גלובלי מודרנימערכות הפכו קשורות יותר ותלויות יותר בתזמון סופר מדויק, לפעמים עד מיליארדיות השנייה. הוספת שניה נוספת מגבירה את הסיכון שמערכות האחראיות לרשתות תקשורת, העברת חשמל, עסקאות פיננסיות ועסקים חיוניים אחרים ייכשלו או לא יצליחו להסתנכרן.

כדי למנוע בעיה זו, מדענים אימצוהחלטה להפסיק את ההוספות הללו מ-2035. מאז 1972, במהלך 50 השנים האחרונות, ההבדל בין UTC לזמן אטומי בינלאומי היה רק ​​37 שניות, עם 10 שניות שנוספו מיד ועוד 27 שניות הוכנסו מאוחר יותר. מדענים מציעים לתקן את ההפרש שיצטבר עד 2035 ולא לשנות אותו לפחות ב-100 השנים הבאות.

קרא עוד:

סופה מגנטית עומדת לפגוע בכדור הארץ

המשמעות האמיתית של חניטה מתגלה: כל הזמן הזה, מדענים טעו

נקראה הסכנה העיקרית של משימת הירח "ארטמיס"