שנייה אחת ב-300 מיליארד שנה: השעון מסינגפור שעשוי לשנות את הגדרת הזמן
חוקרים בסינגפור בנו שני שעונים אטומיים מהיסוד הנדיר לוטטיום, שהגיעו לדיוק ברמת הספרה ה-19. מה זה אומר על הגדרת השנייה, על מערכות ה-GPS והמסחר האלקטרוני ועל מדידת הכבידה, ומה עדיין חסר כדי לאשר את התוצאה
GPS שעון אטומי שנבנה בסינגפור סוטה בשיעור של אחד חלקי 10 בחזקת 19. בזמן של בני אדם, שעון כזה היה מקדים או מאחר בשנייה אחת בערך בכל 300 מיליארד שנה, יותר מפי 20 מגילו של היקום. הצוות של המרכז לטכנולוגיות קוונטיות באוניברסיטה הלאומית של סינגפור פרסם את התוצאה בכתב העת Nature, והוא מציג אותה כשעון המדויק ביותר שנמדד עד היום. "אני בטוח שמה שיש בידינו עכשיו הוא השעון המדויק ביותר בעולם", אמר ראש הקבוצה, מוריי בארט, פרופסור חבר במחלקה לפיזיקה באוניברסיטה.
עד לפני שנה החזיק בתואר שעון אלומיניום של מכון התקנים האמריקאי, עם סטייה של 5.5 חלקי 10 בחזקת 19, כלומר שנייה אחת בכ-58 מיליארד שנה. השעון החדש מדויק ממנו פי חמישה בערך. לשם השוואה, שעוני הצזיום שמגדירים את השנייה הרשמית מאז שנות ה-60 סוטים בשנייה אחת בכמה מאות מיליוני שנים. גם זה נשמע מושלם, אבל ברמת הדיוק שהפיזיקה המודרנית דורשת, מדובר בפער של פי אלף.
כל שעון אטומי עובד על אותו עיקרון. אלקטרון באטום קופץ בין שתי רמות אנרגיה בתדר קבוע שאינו משתנה, לייזר מכוון בדיוק לתדר הזה, והתנודות של האור משמשות כמו מטוטלת שסופרת את הזמן. הקבוצה בסינגפור בחרה ביסוד נדיר יחסית, לוטטיום, ובנתה את השעון סביב יון טעון אחד שלו, שנלכד בשדה חשמלי ומוקרן בלייזר באורך גל של 848 ננומטר. לפי החוקרים, הם הקבוצה היחידה בעולם שעובדת עם היסוד הזה לצורכי מדידת זמן, והעבודה עליו נמשכה יותר מעשור.
היתרון של לוטטיום הוא האדישות שלו לסביבה. בשעונים שבנויים על סטרונציום, איטרביום או אלומיניום, שינויים קטנים בטמפרטורה או בשדה המגנטי מזיזים מעט את התדר, והחוקרים נאלצים לתקן זאת בחישובים מסובכים. אצל לוטטיום ההשפעה הזאת קטנה מאוד, והמערכת פועלת בטמפרטורת החדר. "השעון יישאר יציב גם אם יעבירו אותו מהמקום החם ביותר שנמדד על פני כדור הארץ, בעמק המוות, אל הרמה הקפואה של אנטארקטיקה", אמר בארט.
הצוות בנה שני שעונים נפרדים והריץ אותם זה מול זה במשך 200 שעות. הם הסכימו ביניהם ברמה של 5.7 חלקי 10 בחזקת 19, ההשוואה המדויקת ביותר שנעשתה אי פעם בין שני שעונים מאותו יסוד. יש לזה משקל מעשי, כי הלשכה הבינלאומית למידות ולמשקלות שוקלת להחליף את הגדרת השנייה, שמבוססת היום על צזיום, בהגדרה חדשה על בסיס שעון אופטי. ההחלטה צפויה בשנת 2030 או מאוחר יותר, ואחד התנאים שלה הוא הוכחה ששעונים שנבנו בנפרד מגיעים לאותה תוצאה.
לווייני ה-GPS נושאים שעונים אטומיים, וסטייה של מיליארדית שנייה בזמן מתורגמת לשגיאה של כ-30 סנטימטרים במיקום. רשתות סלולר, רשתות חשמל ומערכות מסחר בבורסות מסתנכרנות לזמן שמגיע מהלוויינים, ובאירופה נדרשים סוחרים בתדירות גבוהה לתעד כל עסקה בדיוק של 100 מיליוניות שנייה. כשהאות נחסם או משובש, כמו שקורה בישראל מאז פרוץ המלחמה, כל המערכות האלה נשענות על שעונים מקומיים. להרחבה: כשהצבא משבש את ה-GPS, מי מפצה את התעופה האזרחית?
לפי תורת היחסות, הזמן זורם לאט יותר קרוב לקרקע, ושעון שמונח נמוך במילימטרים ספורים מתקתק מעט לאט יותר משכנו. השוואת השעונים בסינגפור הייתה רגישה מספיק כדי להבחין בהפרש גובה של 5 מילימטרים ביניהם על אותו שולחן, ולכן החוקרים מדדו בנפרד את גובה היונים ברמת דיוק של מילימטר. בעתיד שעונים כאלה עשויים למדוד שינויי גובה של קרום כדור הארץ, מפלס הים או תנועה של מאגרי מים ומאגמה מתחת לפני הקרקע. להרחבה: עשר שנים, מעטפה סגורה ומספר אחד: למה אי אפשר למדוד את כוח הכבידה
הרגישות הזאת לכבידה מגבילה גם את המחקר עצמו. השוואה בין השעון בסינגפור לשעונים המובילים במעבדות אחרות בעולם דורשת לדעת את הבדלי הכבידה בין האתרים ברמת דיוק שעדיין אינה בנמצא. בנוסף, כל הבדיקות נעשו בידי אותה קבוצה, ואף מעבדה אחרת לא בנתה עד כה שעון לוטטיום שיכול לאשר את התוצאה באופן עצמאי.
"השלב הבא הוא לקחת את השעון שתופס היום מעבדה שלמה ולהקטין אותו למערכת שאפשר להעביר ממקום למקום", אמר מייקל לי, דוקטורנט בקבוצה ואחד משני הכותבים הראשונים של המאמר. שעון נייד יאפשר להביא את הלוטטיום אל המעבדות המתחרות ולהשוות אותו ישירות לשעוני הסטרונציום והאלומיניום, והחוקרים מעריכים שאפשר יהיה להקטין אותו בלי לוותר על הדיוק.
