בואו לגלות את עמוד הכתבה החדש שלנו
${m.global.stripData.hideElement}
 

טרם ביצעת אימות לכתובת הדוא"ל שלך. לאימות כתובת הדואל שלך  לחצו כאן

לשבוע בלבד - מינוי לאתר ב-50% הנחה  

רשימת קריאה

רשימת הקריאה מאפשרת לך לשמור כתבות ולקרוא אותן במועד מאוחר יותר באתר,במובייל או באפליקציה.

לחיצה על כפתור "שמור", בתחילת הכתבה תוסיף את הכתבה לרשימת הקריאה שלך.
לחיצה על "הסר" תסיר את הכתבה מרשימת הקריאה.

קילו עגבניות על השעון

מסה של חומר ניתנת למדידה בשניות

מחקר חדש מחשב מסה בעזרת "השעון הפנימי של החומר". החוקרים: המחקר יועיל ביום שתורת המדידה תגדיר מחדש יחידות מידה, ובמיוחד הקילוגרם

23תגובות

כתב העת המדעי Science פרסם ב-1 בפברואר ניסוי יפה ומעמיק בפיזיקה. הניסוי נוגע בעת ובעונה אחת ליסודות מכניקת הקוונטים ותורת היחסות ומאיר את החומר באור חדש, באמצעות בחינת הקשר המפתיע בינו לזמן. המחקר הראה כי ניתן לחשב את מסת החומר בעזרת מה שמכונה "השעון הפנימי של החומר".

את הניסוי הובילו מדענים מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי. נקודת המוצא למחקר נשענה על עבודתם של שניים מגדולי הפיזיקאים במאה הקודמת, אלברט איינשטיין ולואי דה ברויי. תוצאות מחקריהם הניחו את התשתית לשרשרת תיאורטית שקידמה קשר בין חומר לזמן. המשוואה הידועה של אלברט איינשטיין, E=mc2, קבעה כי האנרגיה והמסה הן שקולות (באופן שימושי הובילה הנוסחה לפיתוח פצצת האטום ולהבנת התנועה של גופים שמימיים).

בהתבסס על המשוואה, עבודתו של דה ברויי בתחום הקוונטים הראתה כי עקרון הדואליות גל-חלקיק אינו תקף רק לאור, ושגם לחלקיקי החומר יש אופי גלי. את הקביעות האלו ניסח לואי דה ברויי בשנת  1923, ועליהן קיבל פרס נובל לפיזיקה בשנת 1929. אם מחברים את הכל, משתמע מכך שהחומר יכול להופיע כגל, שהתדר שלו עומד ביחס ישר לכמות האנרגיה האצורה בו, ולפיכך גם למסתו. מרגע שמדברים על תדירות, אפשר לדבר על זמן.

בפיזיקה, המונח תדירות (או תדר) של תופעה מחזורית מציין את מספר המחזורים שנעשים בכל יחידת זמן. דוגמה לכך היא גוף קשיח שמסתובב בחופשיות: תדירותו היא מספר הסיבובים שהוא עושה בכל שנייה. תיאורטית, אפשר לבנות שעון שיתבסס על התדר הפנימי של אטום יחיד.

אבל הדעה הרווחת עד עתה היתה שלא ניתן ליישם רעיון זה בשל תדירות הגל הגבוהה להדהים של האטומים. לדברי הוֹלְגֶר מוּלֶר, מכותבי המחקר, "אם אתם בונים שעון קיר גדול, יש בו מטוטלת המייצרת תנודות שיוצרות למעשה אות מחזורי שמודד אותו מונה (counter). אבל עד כה לא היה מנגנון  לשעון שיעבוד על גלים של חומר, כי תדירות התנודות שלהם גבוהה פי 10 מיליארד מתנודות האור הנראה".

אי–פי

היינו נתקעים אולי במבוי סתום אלמלא החליטו הולגר מולר וצוותו לבחון מסקנה הנובעת מתורת היחסות הפרטית, תיאוריה פיזיקלית מהפכנית בזמנה, שפורסמה על ידי איינשטיין: תופעת התרחבות הזמן. בצעד נועז וחסר תקדים החליט איינשטיין לוותר על מוחלטות המרחב והזמן, והניח במקומן את מוחלטות מהירות-האור כאקסיומה פיזיקלית. ככל שתופעה זו עשויה להיראות משונה, קצב חלוף הזמן במערכת נתונה איננו גודל מוחלט, אלא תלוי בתנועת המערכת ביחס לצופה. ככל שמהירות המערכת (למשל חללית) גבוהה יותר, יחלוף בה הזמן בקצב איטי יותר יחסית לזמן במערכת הצופה.

יחסיות הזמן הוכחה בניסויים שהשוו את השעה שהציגו שעונים אטומיים שהוצבו במטוסים (המאפשרים לאמוד את הזמן החולף בדיוק גבוה) לבין שעונים אטומיים על הקרקע. לאחר הנחיתה, הזמן בשעונים שהיו באוויר פיגר קלות אחרי השעונים הקרקעיים. אגב, מערך לווייני ה-GPS מעדכן כל העת את נתוניו כדי לפצות על השפעת התרחבות הזמן.

הרעיון היפה של החוקרים מברקלי היה לשלב בין גלי חומר הנפלטים מאטומים בתנועה, לבין גלים הנפלטים מאטומים עומדים. הניסוי הראה כי יש פער קל בין השניים, שהחוקרים יכלו למדוד. מסקנת המחקר היא שבזכות הבדל זה ניתן להשתמש באטום יחיד של חומר למדידת זמן.

אבל התברר שהמשוואה הזו עובדת גם הפוך – ובזכות השעון המתואר ניתן גם למדוד את מסת החומר ברמת דיוק אטומית. יש משהו מרתק בקביעה שזמן הוא תכונה אינהרנטית לחומר ולהפך.

מעבר להבחנה הפילוסופית, כותבי המחקר טוענים כי הניסוי יוכל להועיל במיוחד ביום שבו המטרולוגיה, תורת המדידה, תשקול הגדרה מחדש של כמה יחידות מדידה במקום שבע היחידות הבינלאומיות, ובמיוחד הקילוגרם. לאמיתו של דבר, הקילוגרם התקני של מערכת היחידות הבינלאומיות, הוא עצמו כבר אינו מה שהיה. לדברי הלשכה הבינלאומית למידות ולמשקלות ( (BIPMוקבוצת חוקרים בריטיים, הגוש הקטן עשוי הפלטינה ואירידיום, שאומץ ב-1875 כיחידת תקן בינלאומית, "השמין מעט, כנראה בגלל כספית ופיח שהצטברו עליו". ב-1880 הופצו כ-40 אבטיפוסים של גליל קילוגרם בקרב המדינות שהשתתפו בוועידת המטר. אבל המסות של גלילי הקילוגרמים הזהים השתנו במרוצת השנים בעשיריות המיקרוגרם. בשל השינוי במשקל הקילוגרם הרשמי, בכל מדינה שמחזיקה אחת מן המסות הקובעות את התקן יש הגדרה שונה מעט לקילוגרם.

הקילוגרם הוא היחיד בין היחידות שיש לו הגדרה פיזית. מטרולוגים מחפשים דרך לעקוף את האבטיפוס החומרי במדידה, ובאותה הזדמנות להפוך את הגליל הישן לפריט תצוגה מוזיאוני, כמו יחידת המטר, שהוגדרה בעבר על פי מוט מתכת ונמדדת כיום על פי מהירות האור. נבחנות שתי דרכים לעשות זאת, אך לדברי החוקרים מברקלי ממצאיהם מציעים דרך שלישית ואלגנטית יותר, שתחבר את הקילוגרם ליחידה בינלאומית אחרת המוגדרת בדיוק גבוה ביותר: השנייה.

תרגום: יותם מורציאנו



תגובות

דלג על התגובות

בשליחת תגובה זו הנני מצהיר שאני מסכים/מסכימה עם תנאי השימוש של אתר הארץ

סדר את התגובות
*#
בואו לגלות את עמוד הכתבה החדש שלנו