למדוד את הזמן

הגדרותיה המתחלפות של השנייה

כולנו יודעים שביממה יש 24 שעות ובשעה יש 60 דקות ושכל דקה כוללת 60 שניות; במילים אחרות, היממה כוללת 86,400 שניות. אך כיצד נקבע אורכה המדויק של השנייה? באופן כללי, כדי שנוכל למדוד זמן ביעילות, דרושה בראש ובראשונה תופעה נצפית שחוזרת על עצמה באופן סדיר דיו. התופעה שבאורח מסורתי הגדירה את השנייה ואת שאר יחידות הזמן היתה סיבוב כדור הארץ על צירו; וההגדרה ההיסטורית של השנייה הייתה בפשטות החלק ה-1/86,400‏ של היממה. אך החל מאמצע המאה ה-20, העמיקה ההבנה שההישענות על היממה להגדרת השנייה בעייתית מאוד, שכן אורך היממה אינו קבוע. לכן, הוחלט להחליף את בסיס הגדרת השנייה מהיממה, בשנה הטרופית – כלומר, פרק הזמן שחולף בין שני מעברים עוקבים של השמש על פני אותה נקודה על מסלולה האופקי בשמים – שמשתנה הרבה יותר לאט מהיממה. בהתאם לכך, ב-1960 הוגדרה השנייה במערכת היחידות הבינלאומיות (SI) כחלק ה- 1⁄31,556,925.9747של השנה הטרופית של 1900. אך שבע שנים בלבד לאחר מכן אומצה הגדרה פורמלית חדשה לגמרי של השנייה, הנשענת על תופעה ברמה האטומית דווקא ולא האסטרונומית. ב-1955 נבנה השעון האטומי המדויק הראשון, שהתבסס על מעבר של אטומי צזיום-133 בין שתי רמות אנרגיה מסוימות: האטומים עוררו באמצעות גלי מיקרו לרמת אנרגיה גבוהה יותר, ומשדעכו בחזרה לרמת היסוד, פלטו פוטונים בתדירות מדויקת מאוד – וזו היתה התופעה הסדירה החדשה שאיפשרה מדידת זמן בדיוק חסר תקדים .

מה הוביל את המדענים לשנות ב-1960 את הגדרת השנייה? ושבע שנים אחר-כך, לשנות אותה שוב?

בהתאם לכך הוחלפה ב-1967 הגדרת השנייה הסטנדרטית להגדרה הבאה: משך הזמן של 9,192,631,770 מחזורי הקרינה הנפלטת במעבר של צזיום-133 בין שתי רמות האנרגיה; מספר המחזורים נבחר כך שמשך זה יתאים לאורך השנייה כפי שהוגדרה ב-1960. זאת ועוד: הגדרת השנייה החדשה השפיעה על הגדרתן מחדש של יחידות מידה בסיסיות נוספות. ב-1983 הוגדר המטר בהסתמך על השנייה, וב-2018 הוגדר מחדש הקילוגרם על בסיס מספר קבועי טבע, ביניהם אותה תדירות של קרינה הבוקעת ממעבר הצזיום-133 בין רמות האנרגיה.

מה הניע את התהליך המרתק הזה שעברה השנייה, מיחידה נטולת הגדרה פורמלית סטנדרטית (לפני 1960) ליחידה שהיא לא רק מוגדרת (החל מ-1967) באורח מדויק חסר תקדים, אלא משמשת כיום כבסיס להגדרת יחידות מידה אחרות? פרופ’ שאול קציר, ראש מכון כהן להיסטוריה ופילוסופיה של המדעים והרעיונות באוניברסיטת תל אביב, חוקר את הסוגיה הזאת, יחד עם שאלות רבות נוספות הנלוות אליה. כיצד ומדוע קובעים המדענים שגודל שהוגדר עד כה כקבוע בעצם אינו קבוע? איך הוסקה המסקנה שמהירות סיבוב כדור הארץ – המדד המקורי לשנייה – הולכת וקטנה? מדוע חשבו המדענים שיש לשנות את הגדרת השנייה, ולמה בחרו מלכתחילה הגדרה משונה למדי שעוררה ביקורת (על סמך השנה הטרופית, ושל 1900 דווקא), וכעבור שבע שנים בלבד החליפו אותה בהגדרה שונה בתכלית? במחקר זה, שזכה למענק מהקרן הלאומית למדע, עולות סוגיות רבות שקשורות לצרכים של האסטרונומיה, הפיזיקה והטכנולוגיה באותה תקופה; כמו גם שאלות מתודולוגיות וטכניות הנוגעות לדרישות מיחידות מידה בסיסיות ולדרכים שבהן אפשר למדוד זמן בדייקנות ולקבוע עד כמה תדירויות הן קבועות. ברקע עומדת גם הרפורמה ביחידות המידה הבסיסיות מ-2018, שהעלתה על סדר היום את השאלה העקרונית כיצד יש להגדיר את יחידות המידה הבסיסיות ומתי קיים הצורך וישנה האפשרות להחליפן.

הגדרת השנייה החדשה השפיעה על הגדרתן מחדש של יחידות מידה בסיסיות נוספות. ב-1983 הוגדר המטר בהסתמך על השנייה, וב-2018 הוגדר מחדש הקילוגרם.

המחקר כולל בחינה של הגורמים והמהלכים שהובילו את האסטרונומים בין 1925 ל-1939 למסקנה שמהירות סיבוב הארץ על צירה אכן קטנה בהדרגה, במטרה לקבוע את המועד המדויק שבו השתכנעו בכך ואת הסיבות שבגללן הסיקו זאת. מהמחקר עולה שעל אף קיומן של נסיבות חיצוניות חדשות (מכשירים מודדי זמן מדויקים יותר כגון שעוני קוורץ), הגורמים המרכזיים שהובילו למסקנה זו היו שיקולים פנימיים שנגעו לתיאוריה המשמשת לניבוי תנועות כוכבי הלכת ונשענו על השוואה בין ניבוייה לנתונים התצפיתיים בפועל. החשד להאטת סיבוב הארץ התעורר בעקבות תצפיות מאמצע המאה ה-19 שהראו שהירח נע מהר מכפי שצופה התיאוריה. בעקבות חישובים ותצפיות קפדניים יותר התברר שגם תנועותיהן של פלנטות מואצות יחסית למה שצופה התיאוריה, ובשיעור דומה להאצת הירח. בסופו של דבר, באמצעות חישובים מורכבים – שנבחנו לעומק במחקר זה – הראו אסטרונומים, ביניהם וילם דה סיטר, שההנחה שקצב הסיבוב העצמי של הארץ הולך וקטן מסבירה את כל החריגות שנמדדו בין התיאוריה לתצפיות.

באשר לשינויי הגדרת השנייה, נראה שהמניע העיקרי להם היה הצורך הפיזיקלי והטכנולוגי למדוד תדירות (ולכן גם זמן) והיכולת לייצר מודדי זמן ותדירות מדויקים יותר ויותר – תחילה שעוני הקוורץ, ולאחר מכן השעונים האטומיים. היוזמה לשינוי הראשון הגיעה מהאסטרונומים, שהאמינו תחילה שרק להם יש את היכולת לחשב זמן באורח מוחלט ומדויק על סמך חוקי המכניקה השמימית הידועים היטב, ולכן המדד המדויק הראשון שנבחר (במקום סיבוב הארץ) היה זמן ההקפה סביב השמש. אך לאחר מכן התברר שדווקא הפיזיקה האטומית החדישה יכולה לספק מנגנון אמין ומדויק לא פחות ונוח הרבה יותר לשימוש במדידת זמן – באמצעות  אטום הצזיום-133 – ובסיס הגדרת השנייה הוחלף בהתאם.

החיים עצמם:

 פרופ’ קציר הוא חובב “כבד” של מוזיקה קלאסית, עתיקה ובת זמננו כאחד – ונוהג להאזין לה בכל שעות הערות שלו, כולל בזמן העבודה על שעונים.