השעון האטומי הראשון, אשר השתמש בתדרי תהודה של אטומים כדי לשמור על דיוק במדידת הזמן, נולד במעבדות הפיסיקה הלאומיות של בריטניה.
מכשיר למדידה מדויקת של הזמן, השולט בכל ההיבטים של חיי היום יום שלנו, השעון האטומי, חוגג יובל.
השעון האטומי הראשון, אשר השתמש בתדרי תהודה של אטומים כדי לשמור על דיוק במדידת הזמן, נולד במעבדות הפיסיקה הלאומיות של בריטניה. השעון האטומי נועד לייצר תקן לזמן האוניברסלי המתואם (UTC), המשמש למדידה חוקית של הזמן בכל רחבי העולם. השעון חיוני למגוון טכנולוגיות כמו לווייני האיכון הגלובליים (GPS) ותזמון אותות הטלוויזיה.
הדיוק העדין של מדידת הזמן חיוני גם לאירועים מסונכרנים אחרים, כמו, למשל, הפצה וניהול של חשמל, וכן העברות כספים בכל רחבי העולם. אפילו הביג-בן בלונדון מסתמך על שעון אטומי כדי לשמור על דיוק.
שעון הצסיום המדויק הראשון פותח במעבדות הלאומיות לפיסיקה בבריטניה (NPL) בשנת 1955, בידי ד”ר לואיס אסן. ואולם הרעיון הועלה לראשונה בידי לורד קלווין ב-1879. הוא אמר כי מדידת זמן המבוססת על הדרך שבה אטומים מתנהגים תהיה דרך טובה יותר למדוד את מרווחי הזמן בין כל דבר אחר.
“עד לפיתוח השעון האטומי, הגדרת הזמן הייתה מבוססת על סיבוב כדור הארץ”, מסביר פרופ' פטריק גיל, עמית בכיר במעבדה. “למרות שזה נשמע הגיוני, תנועת כדור הארץ מראה שונות, והסיבה לשימוש בשעון האטומי היא שמשתמשים בתדירות המגיבה לשינויים באנרגיה של המצב הבסיסי של אטומים – ודבר זה מדויק בהרבה בהשוואה לכל סידור אסטרונומי”.
שעונים אטומיים הם עדיין קבועים הרבה יותר מאשר כל שיטה אחרת למדידת זמן, אף כי הם רגישים, אם כי מעט, לשינויים בשדה החשמלי והמגנטי.
פיתוח השעון האטומי הסתייע במידה מסוימת בהתפתחויות הטכנולוגיות של מלחמת העולם השנייה, ובהן המכ”ם. בחמישים השנים שחלפו מאז החל השעון האטומי לתקתק, הלך הדיוק של מכשירים אלה וגדל פי מאה אלף.
זמן אטומי חשוב מאוד גם לגודש של יישומי התקשורת והמיחשוב, כמו, למשל, תיאום שליחת מנות נתונים דרך הרשת, לווייני ה-GPS וטלפונים ניידים. כאשר הרשת מפצלת את זרמי המידע ומרכיבה אותם מחדש, העיתוי חייב להיות מדויק בנקודת האיחוד מחדש. אם הוא לא יהיה מדויק, ולא חשוב מה הם הנתונים שנשלחו, חבילת VoIP של טלפון אינטרנטי, לדוגמה – הם יגיעו לצד השני מעורבלים.
כעת משתמשים בשעונים האטומיים המודרניים והמדויקים באטומי צסיום 133, הנוצרים בסוג מיוחד של תנורים, שיכולים למדוד את הזמן בדיוק של עשירית המיליארדית של שנייה ליום. הם עושים זאת באמצעות מדידת זמן בסיס בדרך שבה אטומי צסיום מקוררים קופצים קדימה ואחורה בין רמות אנרגיה שונות.
הקפיצות הללו מופיעות בתחומי התדירות של המיקרוגל, עם קרוב ל-9.2 מיליארד קפיצות המהוות את מרווח הזמן הידוע כשנייה אחת. אטומים מקוררים כדי לצמצם את הרוחב של אותה “תהודת תדירות”. ככל שרוחב פס זה צר יותר, גדל דיוק מדידת הזמן.
“הרעיון הראשוני של אסן היה להשתמש בקרן אופקית של אטומי צסיום לא מקוררים, הנעים לרוחב מטר לערך. הוא עקב אחר זאת באמצעות מדידת אותות המיקרוגל בשתי נקודות לאורך הדרך”, מסביר פרופ' גיל.
השעונים האטומיים עדיין משתמשים בשיטה זו, אך בצורה שונה מעט, הידועה כ”מזרקה אטומית”.
“בתחתית המזרקה יש ענן של מיליון אטומים, המקוררים בידי לייזרים – בדרך כלל לטמטרפטרות קרובות מאוד לאפס המוחלט. “אנחנו נותנים להם מעט דחיפה מלמטה, והם קופצים כמטר גובה ונופלים בחזרה למטה. אז אנחנו מודדים את גלי המיקרו ועוקבים אחריהם בדרך למעלה ולמטה. מהמדידה הכפולה אנחנו יכולים להגיע לתדירות צרה”. אמר.
יש 5-6 מעבדות תקן בינלאומיות המשתמשות בשיטת המזרקה האטומית וכולן תורמות ל-UTC. ישנם גם שעונים אטומיים מסחריים רבים, הפועלים ברחבי העולם, כמה מהם תורמים אף הם ל-UTC, אך הם לא מדויקים כל כך כמו השעונים באותן מעבדות, אמר פרופ' גיל.
דע את מקומך
הצעד הבא, לפי פרופ' גיל וצוותו – וכמה קבוצות אחרות ברחבי העולם – פיתוח מיקרוגלים תחליפיים בעלי אורך גל נמוך יותר של אור לייזר. שעונים אופטיים אלה עדיין בשלבי פיתוח והם פועלים בתדירויות גבוהות, ולפיכך יאפשרו דיוק רב יותר של מדידת הזמן. אפשר גם, כי השעונים האופטיים יחליפו את השעונים בתחום המיקרוגל כאחראים הראשיים למדידת הזמן בעוד כעשור.
שעונים אטומיים אופטיים הם בעלי פוטנציאל בשיפור הביצועים של מערכות ה-GPS בתחום של מתחת למטר אחד, אומר פרופ' גיל. “הטכנולוגיה המשתמשת בדיוק הרב ביותר היא מערכות ה-GPS”, אומר פרופ' גיל.
“בלווייני GPS יש שעוני רדיום וצסיום. לוויינים אלה, המספקים את הבסיס לטריאנגולציה הנדרשת לקבל את המיקום המדויק על הקרקע גם מנוטרים בידי מערכות קרקעיות. “בתחנות אלה יש שעונים מדויקים יותר מאשר בתוך הלוויינים. הדבר מאפשר דיוק של ננו-שניות וגורם לסטייה של מטרים אחדים. שעון אופטי יופיע תחילה בתחנות הקרקע ולאחר מכן גם בדורות הבאים של הלוויינים, ופירוש הדבר דיוק במיקום של פחות ממטר, גם כאשר העצם או האדם נמצאים בתנועה.
הדבר פותח אפשרויות רבות ליישומים צבאיים המסתמכים מאוד על GPS, כמו גם על שימושים יום יומיים יותר, כמו תחבורה אזרחית ופעילויות איתור. “יש אפילו דיבורים על הכנסת קולטים לתוך מכשירי טלפון נייד ואפילו על שעונים אטומיים זעירים בתוך המכשירים הניידים”, אמר פרופ' גיל.
הם לא יהיו מדויקים כמו מערכות מזרקת צסיום, אך הם יהיו קטנים ויוכלו לתת זמן מקומי לתקופות שבהן המקלט אינו רואה לוויינים.
בספטמבר 2004, מכון התקנים הלאומי האמריקני (NIST) ישתמש בטכניקות של ייצור שבבי מחשב כדי לייצר שעונים אטומיים קטנים.
בפיתוח הסופי נראה מערכות מבוססות סוללות חשמל בגודל של מנורת לילה זעירה.
