- בהשוואה בין שעונים אופטיים בשש מדינות הצליחו חוקרים לבצע מדידות מתואמות בדיוק חסר תקדים – צעד משמעותי בדרך לקביעת סולם זמן עולמי חדש
במחקר חדש, חוקרים ערכו את ההשוואה המתואמת הנרחבת ביותר עד כה של שעונים אופטיים, כאשר גם השעונים וגם הקישורים ביניהם פעלו בו-זמנית בשש מדינות. הניסוי, שפרש על פני אלפי קילומטרים, מהווה צעד חשוב לקראת הגדרה מחודשת של השנייה ולבסוף יצירת סולם זמן אופטי עולמי.
"האותות המדויקים של זמן ותדר שמספקים שעונים אטומיים חיוניים לטכנולוגיות רבות בחיי היום-יום — כמו GPS, ניהול רשתות חשמל וסנכרון עסקאות פיננסיות", אמרה ד"ר הלן מרגוליס, ראש תחום הזמן והתדר במעבדה הפיזיקלית הלאומית של בריטניה (NPL). "הממצאים שלנו יכולים לשפר את הביצועים של הדור הבא של שעונים אופטיים, לפתוח יישומים חדשים לחלוטין ולקדם תחומים מדעיים הנשענים על זמן ותדר."
שעונים אופטיים הם סוג של שעונים אטומיים המשתמשים בלייזרים כדי לגרות אטומים באופן מבוקר, ולגרום להם לעבור בין רמות אנרגיה מסוימות. המעברים הללו מתרחשים בתדרים מדויקים מאוד, המשמשים כ"טיקים" של השעון. מאחר שכל שעון משתמש באטום מסוג אחר, יש צורך להשוות ביניהם למרחקים ארוכים כדי לנצל את הדיוק המרבי.
במאמר שפורסם בכתב העת Optica, חוקרים ממספר מוסדות מציגים תוצאות של 38 השוואות תדרים שנערכו בו-זמנית באמצעות עשרה שעונים אופטיים שונים. ארבע מההשוואות בוצעו ישירות לראשונה, ואחרות שופרו בדיוקן.
"מדידות אלו מספקות מידע קריטי על מה עוד נדרש כדי ששעונים אופטיים יעמדו בדרישות הדיוק והאמינות לשימוש בקביעת זמן בינלאומית," אמר מרקו פיצוקארו, חוקר בכיר מהמכון הלאומי האיטלקי למחקר מטרולוגי (INRiM). "בניסוי שלנו הראינו כיצד ניתן לקשר שעונים אופטיים ברחבי אירופה למדוד יחסי תדר בדיוק מתקדם. מדובר במעבדה מבוזרת, שיכולה לשמש גם לבדיקות בפיזיקה בסיסית, כמו חיפוש אחר חומר אפל או בדיקת עקרונות יסוד של הפיזיקה."
במשך עשרות שנים, תקן הזמן העולמי התבסס על ממוצע של אותות משעוני צסיום מיקרוגליים הממוקמים ברחבי העולם. אולם ככל שהשעונים האופטיים הפכו מדויקים ויציבים יותר, גוברת התמיכה בהגדרה מחדש של השנייה במערכת היחידות הבינלאומית (SI) באמצעות שעונים אלה. כיום הם מדויקים פי 100 מהשעונים הטובים ביותר מסוג צסיום, ומסוגלים למדוד זמן בדיוק כה גבוה, עד שהיו מאבדים או מרוויחים פחות משנייה אחת לאורך מיליארדי שנים.
כדי לשלב שעונים אופטיים בקביעת זמן בינלאומית, יש צורך להשוות בין נתונים משעונים שונים כדי לוודא תפקוד עקבי. לשם כך, נערכה השוואה מתואמת של שעונים אופטיים בשש מדינות במסגרת שיתוף פעולה רחב הנתמך על ידי האיחוד האירופי.
"השוואת שעונים רבים בו-זמנית ושימוש ביותר מסוג אחד של טכנולוגיית קישור מספקים מידע רב בהרבה לעומת השוואות זוגיות שבוצעו בעבר," הסביר תומס לינדוול, חוקר בכיר ב-VTT MIKES בפינלנד. "סט מתואם של מדידות מאפשר לבדוק עקביות ולהפיק תוצאות אמינות יותר. תוצאות אלו מסייעות לזהות אילו שעונים אופטיים עשויים להוות בסיס להגדרה החדשה של השנייה."
לצורך ביצוע המדידות, היה צורך לקשר את תדרי היציאה של השעונים השונים. החוקרים השתמשו בשתי שיטות: אותות רדיו מלוויינים ואור לייזר העובר בסיבים אופטיים.
שיטת הלוויינים התבססה על אותות GPS, שהיו זמינים לכל השעונים בניסוי. אך לשיטה זו יש מגבלות דיוק עקב רעשי אותות ומגבלות ציוד.
בנוסף, נעשה שימוש בסיבים אופטיים מותאמים, שאפשרו מדידות מדויקות פי 100 לעומת שיטת הלוויינים. קישורים אלו שימשו לחיבור שעונים בצרפת, גרמניה ואיטליה. השוואות מקומיות בגרמניה ובבריטניה, בהן מספר שעונים פעלו באותו מוסד, בוצעו בסיבים קצרים, שהפחיתו עוד יותר את אי-הוודאות.
לדברי החוקרים, תיאום הפעולה בו-זמנית של עשרה שעונים מדויקים במדינות שונות וכל הקישורים ביניהם דרשו תכנון נרחב מראש. גם ניתוח הנתונים הציב אתגרים.
"לא כל התוצאות תאמו את הציפיות שלנו, וחלק מהמדידות הראו אי-עקביות," אמרה ד"ר רייצ'ל גודון, מדענית בכירה ב-NPL. "עם זאת, בזכות השוואת שעונים רבים ושימוש בשיטות קישור שונות, הצלחנו לזהות את מקור הבעיות."
הניסוי גם זיהה תחומים הדורשים עבודה נוספת — לדוגמה, הפחתת אי-הוודאות במדידות לרמת הדיוק של השעונים עצמם, וביצוע מדידות חוזרות לאימות תפקוד תקין. בנוסף, יש לעמוד במספר קריטריונים נוספים לפני שניתן יהיה להגדיר מחדש את השנייה, כולל הוכחה לכך ששעונים אופטיים יכולים לתרום באופן עקבי לקביעת סולמות זמן בינלאומיים.
