یک تکه سنگ چگونه زمان را اندازه می‌گیرد؟ راز عجیب کوارتز
نوسان ۳۲۷۶۸ هرتزی بلور کوارتز به مدارهای دیجیتال امکان می‌دهد با ۱۵ بار نصف‌کردن فرکانس و کمترین مصرف انرژی، زمان دقیق یک ثانیه را بسازند.
نوسان ۳۲۷۶۸ هرتزی بلور کوارتز به مدارهای دیجیتال امکان می‌دهد با ۱۵ بار نصف‌کردن فرکانس و کمترین مصرف انرژی، زمان دقیق یک ثانیه را بسازند.
درون بسیاری از ساعت‌های مچی و دیواری، قطعه‌ای بسیار کوچک از جنس کوارتز وجود دارد که در هر ثانیه دقیقاً ۳۲٬۷۶۸ بار نوسان می‌کند؛ اما چرا سازندگان ساعت چنین عدد عجیبی را انتخاب کرده‌اند؟ پاسخ به یک ویژگی ساده‌ی ریاضی برمی‌گردد که کمک می‌کند ساعت‌ها با مصرف برق بسیار کم، گذر زمان را اندازه بگیرند.
اگر ساعت کوارتز عقربه‌ای داشته باشید، احتمالاً دیده‌اید که عقربه‌ی ثانیه‌شمار آن در هر ثانیه یک بار جلو می‌رود. بااین‌حال، درون ساعت اتفاق بسیار سریع‌تری در جریان است: یک بلور کوچک با فرکانسی نزدیک به ۳۳ هزار بار در ثانیه می‌لرزد و مدار الکترونیکی ساعت این نوسان‌ها را می‌شمارد.
بر اساس اطلاعات مؤسسه‌ی ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) ، بیشتر ساعت‌های کوارتز از فرکانس ۳۲٬۷۶۸ هرتز استفاده می‌کنند. این عدد تصادفی نیست و به‌دلیل ساختار مدارهای دیجیتال انتخاب شده است.
کوارتز نوعی ماده‌ی بلوری است که ویژگی جالبی به نام «اثر پیزوالکتریک» دارد. وقتی ولتاژ الکتریکی به آن اعمال می‌شود، شکلش به‌اندازه‌ای بسیار کوچک تغییر می‌کند. برعکس، تغییر شکل مکانیکی آن نیز می‌تواند سیگنال الکتریکی تولید کند.
قطعه‌ای بسیار کوچک با مصرف انرژی ناچیز می‌تواند سال‌ها زمان را برای ما اندازه بگیرد
سازندگان ساعت از همین خاصیت استفاده می‌کنند. آن‌ها بلور کوارتز را با ابعاد مشخص و معمولاً به‌شکل یک دیاپازون بسیار کوچک می‌سازند؛ قطعه‌ای شبیه چنگالی با دو شاخه که می‌تواند با فرکانسی مشخص نوسان کند.
مدار الکترونیکی با استفاده از انرژی باتری، نوسان این بلور را برقرار نگه می‌دارد. ازآنجاکه فرکانس طبیعی نوسان بلور نسبتاً پایدار است، می‌توان از آن به‌عنوان معیاری برای شمارش زمان استفاده کرد؛ اما سؤال اصلی همچنان باقی است: چرا دقیقاً ۳۲٬۷۶۸ هرتز؟
این ویژگی برای مدارهای دیجیتال اهمیت زیادی دارد؛ چون چنین مدارهایی می‌توانند فرکانس یک سیگنال را به‌سادگی نصف کنند. وقتی بلور کوارتز در هر ثانیه ۳۲٬۷۶۸ بار نوسان می‌کند، مدار ساعت سیگنال آن را به یک تقسیم‌کننده‌ی فرکانس می‌فرستد. این مدار فرکانس را در چند مرحله نصف می‌کند:
نمای ساده‌شده‌ی مدار تقسیم فرکانس؛ پس از ۱۵ بار نصف‌شدن فرکانس، سیگنال یک هرتزی به دست می‌آید مدار پس از ۱۵ مرحله نصف‌کردن فرکانس، از ۳۲٬۷۶۸ هرتز به یک هرتز می‌رسد؛ یعنی سیگنالی که در هر ثانیه یک چرخه دارد.
در ساعت‌های عقربه‌ای معمولی، مدار از این سیگنال برای فرمان‌دادن به موتور پله‌ای استفاده می‌کند تا عقربه‌ی ثانیه‌شمار یک خانه جلو برود. ساعت‌های دیجیتال نیز از همین مبنای زمانی برای تغییر اعداد نمایشگر بهره می‌برند.
در راهنمای رسمی NIST درباره‌ی کالیبراسیون ساعت‌ها و زمان‌سنج‌ها توضیح داده شده است که فرکانس ۳۲٬۷۶۸ هرتز در ابتدا به این دلیل انتخاب شد که می‌توان آن را با یک مدار ساده‌ی ۱۵ مرحله‌ای به سیگنال یک‌باردرثانیه تبدیل کرد. این فرکانس در مقایسه با بلورهای پرفرکانس‌تر، مصرف باتری کمتری نیز دارد بنابراین، ۳۲٬۷۶۸ هرتز انتخابی کاربردی میان سادگی مدار، مصرف انرژی و پایداری زمان‌سنجی است.
با وجود فرکانس بسیار منظم، ساعت‌های کوارتز کاملاً بی‌خطا نیستند. تغییر دما، ضربه و گذشت زمان می‌توانند فرکانس واقعی نوسان بلور را اندکی تغییر دهند. برای مثال، اگر فرکانس واقعی بلور به‌جای ۳۲٬۷۶۸ هرتز، برابر با ۳۲٬۷۶۷ هرتز باشد، ساعت تقریباً روزانه ۲٫۶۴ ثانیه عقب می‌ماند.
دما از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر دقت ساعت‌های کوارتز است
دما از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر دقت ساعت‌های کوارتز است. بلورهای به‌کاررفته در ساعت‌های مچی معمولاً طوری ساخته می‌شوند که نزدیک دمای بدن پایداری بیشتری داشته باشند؛ درحالی‌که زمان‌سنج‌های دیگر ممکن است برای دمای اتاق بهینه شده باشند.
فرسودگی تدریجی بلور نیز می‌تواند فرکانس آن را تغییر دهد، اما این تغییر معمولاً بسیار آهسته اتفاق می‌افتد. به همین دلیل، حتی ساعت‌های کوارتز ارزان‌قیمت هم می‌توانند در مدت طولانی زمان را با دقت قابل‌قبولی نشان دهند.
البته همه‌ی ساعت‌های کوارتز الزاماً با فرکانس ۳۲٬۷۶۸ هرتز کار نمی‌کنند. مدل‌های خاصی با فرکانس‌های متفاوت و مدارهای جبران خطا ساخته شده‌اند که هدفشان دستیابی به دقت بالاتر است.
راز عدد عجیب ۳۲٬۷۶۸ به رابطه‌ی ساده‌ای میان فیزیک و ریاضیات برمی‌گردد. بلور کوارتز با سرعتی ثابت نوسان می‌کند، مدار الکترونیکی این نوسان‌ها را می‌شمارد و با ۱۵ بار تقسیم فرکانس بر دو، گذشت هر ثانیه را مشخص می‌کند. به این ترتیب، قطعه‌ای بسیار کوچک با مصرف انرژی ناچیز می‌تواند سال‌ها زمان را برای ما اندازه بگیرد.