בהתחלה היו רק עונות וימים. בהמשך, מכשירים פשוטים אפשרו למדוד פרקי זמן יותר ויותר קצרים. והיום: כלים שמודדים חלקיקי שנייה. הצצה מרתקת להיסטוריה של השעונים
כמה זמן נמשך אירוע? כמה זמן נדרש ללב שלנו לפעום פעימה אחת? כמה זמן מבזיק הברק? באיזה דיוק אפשר למדוד את הזמן עצמו?
כבר בשחר ההיסטוריה הביטו בני האדם לעבר הרקיע והבחינו בתנועות גרמי השמיים, או ביקשו לחזות את חילופי העונות לצרכיהם. מאז ועד היום ניסה האדם למדוד את הזמן וליצור כלי מדידה יותר ויותר מדויקים.
חלוקת הזמן הטבעית הראשונה הייתה חלוקת היממה ליום ולילה, המבוססת כמובן על גרמי השמיים – השמש, הירח וקבוצות הכוכבים. חלוקת זמן טבעית נוספת הייתה חלוקת השנה לארבע עונות, המבוססת גם היא על אירועים טבעיים כמו שינויים במזג האוויר, נדידת בעלי חיים ומחזורי הרבייה שלהם. חלוקות נוספות נעשו להגדרת השנה עצמה, על פי מחזורי הירח או סיבוב כדור הארץ סביב השמש, ופרקי זמן קצרים יותר של חודשים ושבועות.
אולם החלוקה הזאת הייתה גסה מאוד, והאדם שאף למדוד זמן בצורה מדויקת יותר כדי לחלק גם את היום ואת הלילה לפרקי זמנים קצרים יותר לצרכי פולחן או עבודה. לכן המציאו כלים שיאפשרו מדידה מדויקת של פרקי זמן ידועים. אלו השעונים.
שעונים "טבעיים"
השעונים הראשונים היו פשוטים יחסית והתבססו גם הם על אירועים טבעיים. שעון שמש שימש למדידת השעה על פי סיבוב כדור הארץ סביב צירו. השמש מאירה על מוט שמטיל את צילו על משטח המחולק לשנתות. כשכדור הארץ מסתובב, הזווית שבה השמש מאירה על המוט משתנה והצל נע על המשטח. אם נעקוב אחר שעון השמש לאורך השנה נגלה כי אורכו של היום משתנה – השמש זורחת ושוקעת בזמנים שונים, בשל הנטייה של כדור הארץ ביחס למישור הסיבוב שלו סביב השמש.
בגלל התלות שלו בשמש, שעון השמש הוא כלי מוגבל – אי אפשר להשתמש בו בתוך הבית, בלילה ואפילו לא בימים מעוננים. כתחליף השתמשו בני האדם בנרות שמן או שעווה כדי ליצור שעון נר. עדויות לקיומם של נרות שמן אפשר למצוא כבר משנת 4,000 לפני הספירה, אז נהגו להכניס פתילות לכלי חרס מלאים בשמן. מאחר שקצב הבעירה היה קבוע יחסית, יכלו לחשב מראש את כמות השמן שמכניסים לנר ולפיו לדעת כמה זמן הוא יבער.
יצירת נרות השעווה לפני 2000 שנה ויותר אפשרה כמה מאות שנים אחר כך פריצת דרך במדידת הזמן. קצב הבעירה של הנרות האלה קבוע יחסית, ולכן היה אפשר להעריך בעזרתם את משך הזמן שעובר. במאה השישית בערך נכנס שכלול נוסף: נרות שעווה שעליהם סומנו שנתות, כך שהיה אפשר למדוד 30-20 דקות בין כל סימן. עם זאת, שעוני הנר האלה לא היו מדויקים במיוחד, כיון שקצב הבעירה שלהם הושפע מאוד מאיכות השעווה ומהלחות באוויר.
שעון פשוט נוסף שהיה בשימוש ביוון ובמזרח הרחוק כבר בשנת 1,500 לפני הספירה הוא שעון המים. מדובר במתקן פשוט העשוי מכלי שבחלקו התחתון קיים חור. השעון התבסס על המהירות הקבועה של זרם המים המתנקז דרך החור מתוך הכלי המלא. בשעוני המים הפשוטים המדידה הסתיימה כשהמים בכלי אזלו, אך היו גם שעונים שבחלק הפנימי שלהם סומנו שנתות שמדדו את גובה פני המים.
אף שמהירות הזרימה דרך חור בקוטר קבוע תלויה בלחץ האטמוספרי, שעון המים היה הכלי המדויק ביותר למדידת זמן בעת העתיקה. לכן הוא היה הבסיס ליצירת מתקני מדידה מורכבים יותר, כשהוסיפו לשעון דליים קשורים לחוט וגלגלי שיניים ליצירת מתקנים המדמים את תנועת גרמי השמיים.
הטכנולוגיה מגיעה – שעון החול
כלי מסוג חדש נוצר עם התפתחות אומנות ניפוח הזכוכית במאה ה-11: שעון החול, שנמצא עד היום בשימוש במטבחים רבים. צורתו כללה שני כדורים המחוברים במאונך וביניהם פתח צר מאוד. אחד הכדורים מולא בחול עדין עם גרגירים בקוטר אחיד שאפשר לו להישפך בקצב קבוע דרך הפתח שבין כדורי הזכוכית.
כדי להתחיל את המדידה היו הופכים את השעון וכוח הכבידה גרם לחול לזרום מהכדור העליון אל הכדור התחתון דרך הפתח הצר. הדיוק של השעון הזה היה תלוי בעיקר באיכות החול, כך שבשעוני חול איכותיים המדידה הייתה מדויקת עד כדי סטייה של שניות בודדות – דבר שהפך את שעון החול לכלי יעיל לכיול שעוני שמש ושעונים אחרים.
פועל בעזרת כוח הכבידה, והדיוק תלוי בעיקר באיכות החול. שעון חול | צילום: Shutterstock
השעון המכני והחשמלי
במאה ה-13 הופיע שעון מזן חדש – השעון המכני. הוא נבנה מגלגלי שיניים ומחגר משונן – גלגל שיניים שאיפשר תנועה רק בכיוון אחד. את ההנעה עצמה הפעילו קפיצים או משקולות. השעון הראשון הידוע באירופה יוצר ב-1275. השעונים המורכבים הללו הוצבו לרוב באזורים מרכזיים ובראשי מגדלים כדי שהציבור יוכל לראות אותם.
במאה ה-15 פותחו שעוני הקפיץ הראשונים. בקפיץ מתוח יש אנרגיה פוטנציאלית אלסטית, ושחרורה ההדרגתי הניע את גלגלי השיניים בשעון. בשעונים אלו היה שימוש בקפיץ ספירלי עשוי מתכת, והיה צריך למתוח אותו ידנית בכל יום, בסיבוב כתר או מפתח קטן בצד השעון. שעונים אלה, היו קטנים וניידים, ואפשר היה לשאתם בכיס, ובהמשך אפילו לענות אותם על פרק היד. כשהקפיץ בשעון משתחרר, הוא מעביר את האנרגיה הפוטנציאלית שבו למנגנון תמסורת המאפשר לסובב גלגל שיניים בצורה קצובה. גלגלי שיניים נוספים קבעו את קצב תנועת המחוגים ואת דיוקם. שעוני הקפיץ היו בשימוש נרחב במשך מאות שנים, אבל נעלמו כמעט לגמרי מהעולם במאה ה-20.
פריצת הדרך הבאה בפיתוח שעונים מדויקים, שעון המטוטלת, התאפשרה בשנת 1656, אחרי שכריסטיאן הויגנס הוכיח כי זמן התנועה של מטוטלת הוא קבוע ותלוי אך ורק באורכו של החוט שעליו היא תלויה. מאחר שהזמן בין תנודות המטוטלת קבוע, אפשר להיעזר בו כדי למדוד את הזמן בדיוק רב – עד כדי עשר שניות ביממה. הישג מרשים, שהפך את שעון המטוטלת לשעון המדויק ביותר בתקופתו.
רמה נוספת של דיוק הגיעה עם פיתוח שעון הקוורץ ב1927, שהתאפשר אחרי שהאחים ז'אק ופייר קירי גילו את התכונות הפיאזואלקטריות של גביש הקוורץ בשנת 1880. גביש פיאזואלקטרי יכול ליצור מתח חשמלי בתגובה ללחץ מכני. שעון הקוורץ הוא בעצם שעון חשמלי שבתוכו מתנד – רכיב שיוצר מעגל חשמלי בעל אות מחזורי, כמו גל סינוס – כלומר גל בעל מחזוריות קבועה.
השעון מנצל את המחזוריות הזו כבסיס למדידת זמן, בדיוק כמו בשעון המטוטלת. רכיב אלקטרוני מודד את מחזורי האות החשמלי של המתנד ומתרגם אותו לשעה, ברמת דיוק של כחצי שנייה ביממה. למרות דיוקו הרב יחסית, המחזור של גביש הקוורץ עשוי להשתנות מעט בהשפעת הטמפרטורה.
מערכת מורכבת של קפיץ, גלגלי שיניים ומחגר המאפשר להם לנוע בכיוון אחד. שעון מכני | מקור: ויקידפדיה
השעון האטומי
השעון האטומי כשמו כן הוא, מבוסס על תכונות פיזיקליות של אטומים, בדרך כלל של היסוד צסיום. שעונים אטומיים הם השעונים המדויקים ביותר הקיימים כיום והסטייה שלהם מגיעה לשניות בודדות במשך עשרות אלפי שנים. הדיוק הרב הזה הפך אותם לכלי חיוני, למשל במערכות ניווט לווייני, באינטרנט, במערכות צבאיות, במערכות מסחר ממוחשבות ועוד.
כמו שעונים קודמים שהזכרנו, גם השעון האטומי מונה מחזוריות, או את מספר הפעמים שמשהו נע הלוך ושוב. מה שנמדד כאן הוא מספר התנודות המחזוריות של האלקטרונים באטומי הצסיום. האלקטרונים יכולים לבלוע גלי רדיו בתדר מסוים, בתהליך שבו הם עוברים לרמה אנרגטית גבוהה יותר ולאחר זמן מה פולטים אותה וחוזרים לרמת האנרגיה המקורית שלהם. כאשר נספור 9,192,631,770 תנודות בין שתי רמות אנרגיה של אטומי צסיום-133 נדע שעברה שניה אחת בדיוק.
על המצאת הבסיס לשעון האטומי הוענק לנורמן פוסטר רמזי ג'וניור פרס נובל לפיזיקה ב-1989. הדיוק הרב של השעון האטומי מאפשר למדוד גם פרקי זמן קצרים במיוחד. הזמן הקצר ביותר שמדענים הצליחו למדוד במעבדה הוא אטו-שנייה (10-18 שנייה, כלומר מיליארדית של מיליארדית השנייה), שזה בערך הזמן שבו האור עובר על פני שני אטומי מימן צמודים. כדי להבין את קנה המידה הזה, היחס בין אטו-שנייה לשנייה הוא כמו ההבדל בין שנייה ליותר מ-31 מיליארד שנים.
לא משנה איך מודדים את הזמן, בסופו של דבר הזמן של כולנו קצוב. לכן כדאי להשתמש בו בתבונה, או כדברי הסופרת מרתה טרולי-קורטין: "זמן שאנו נהנים לבזבז איננו זמן מבוזבז".
