Yttrium, atom, ur

Forbundne atomer holder tiden

Under en tiendedel af et sekund – så lidt ville et revolutionerende nyt atomur vise forkert, hvis det havde gået siden big bang. Uret udnytter et sært kvantemekanisk fænomen og er så følsomt, at det måske kan finde universets gådefulde mørke stof.

Under en tiendedel af et sekund – så lidt ville et revolutionerende nyt atomur vise forkert, hvis det havde gået siden big bang. Uret udnytter et sært kvantemekanisk fænomen og er så følsomt, at det måske kan finde universets gådefulde mørke stof.

Ken Ikeda Madsen / Shutterstock

Et moderne atomur taber bare ét sekund på 300 millioner år. Hvis det var begyndt at tikke ved verdens begyndelse for 13,8 mia. år siden, ville det vise under et minut forkert i dag. Det er mere end rigeligt præcist til at koordinere dagligdagens aftaler – men for fysikerne er det slet ikke nøjagtigt nok.

Problemet er bare, at urene har ramt den grænse, der sættes af atomernes egen unøjagtighed. Atomer styres nemlig af kvantemekanikkens sære love, der dikterer, at atomernes svingninger aldrig kan kendes helt præcist.

Men nu har forskere fundet en vej til at gøre atomure mere præcise ved at udnytte et andet sært fænomen i kvantemekanik – at atomer kan filtres sammen, så de fungerer som ét.

Udvidelse af universet siden big bang

Hvis det nye atomur havde gået, siden big bang satte universet i gang for 13,8 mia. år siden, ville det have tabt under 0,1 sekund.

© Shutterstock

Princippet vil gøre atomure så præcise, at de kun ville tabe under en tiendedel af et sekund på den tid, der er gået siden big bang. Med så nøjagtige ure kan fysikerne måske endelig løse en af kosmologiens allerstørste gåder: Hvad er mørkt stof?

Lys får elektroner til at springe

Alle ure fungerer ved hjælp af en svingningsmekanisme, der altid tager lige lang tid. I et gammeldags pendulur sidder der en vægt for enden af en stang, der svinger fra side til side. Hver gang pendulet har været én gang frem og tilbage, er der gået ét sekund.

Hvis længden af stangen og vægten for enden er lavet præcist, vil pendulet altid svinge med samme frekvens, og uret vil hverken tabe eller vinde tid.

I virkelighedens verden vil et pendulur dog altid være begrænset af, hvor godt stang og vægt er produceret, og hvor hurtigt drivmekanismen bliver slidt.

I atomure udnytter fysikerne, at atomer kan få en laser til at svinge med langt større præcision end en vægtstang.

Et atom består af en kerne bygget af protoner og neutroner og en række elektroner, der kredser rundt om kernen. Elektronerne sidder i faste baner, kaldet orbitaler, omkring kernen, der alle er bestemt af elektronens energiniveau.

Når en elektron bliver beskudt med laser i atomuret, springer den til et andet energiniveau, dvs. ud i en anden bane om kernen. Elektronen vil dog gerne tilbage til sit eget energiniveau og hopper hurtigt hjem igen.

Fysikerne kan måle, hvornår elektronen springer tilbage, og dermed kan de bruge dens spring til at fintune frekvensen af laseren, så den bliver helt konstant. Elektronen vil nemlig kun springe, når den bliver ramt af stråling med en helt bestemt frekvens.

Det er denne frekvens, der fungerer som atomurets pendul. I moderne atomure, der er baseret på grundstoffet ytterbium, slår pendulet 518 billioner gange hvert sekund.

Urene har nået naturens grænse

Siden det første atomur blev bygget i 1949, har fysikerne gjort dem mere og mere præcise.

Forskere har løbet kapløb med tiden i 500 år

Siden det første pendulur i 1600-tallet har opfindere og forskere arbejdet på at måle tiden mere præcist og gøre urene mindre. Med atomuret har sekundet fået en nøjagtig definition.

1656: Pendulet begynder at svinge

Christiaan Huygens opfandt det første pendulur med inspiration fra tidens undersøgelser af pendulers egenskaber. Konceptet var udtænkt omkring 20 år tidligere af Galileo Galilei, men han fik ikke færdiggjort det før sin død.

Præcision: ét minut om dagen

Gammelt ur
© Ritzau Scanpix

1720: Tiden kan ligge i lommen

Selvom lommeure havde eksisteret i omkring 200 år på dette tidspunkt, var det først med de tekniske forbedringer i starten af 1700-tallet, at urene blev præcise nok til at være mere end pynt.

Præcision: ti minutter om dagen

Gammelt armbåndsur
© Ritzau Scanpix

1927: Kvartskrystal øger præcisionen

Med opfindelsen af kvartsuret på Bell-laboratoriet i USA nåede videnskaben en ny grad af præcision. Teknikken var baseret på, at krystallen svinger med en bestemt frekvens.

Præcision: ca. ét minut om året

Kvartskrystal øger præcision
© Alamy

1949: Atomer måler tiden

Det første atomur blev udviklet på U.S. National Bureau of Standards (i dag NIST). Uret var mindre præcist end de bedste kvartsure på den tid, men beviste, at princippet fungerede.

Præcision: ca. ét sekund på 8 måneder

Atomer måler tiden
© Ritzau Scanpix

1955: Cæsium giver sekundet en ny definition

I Storbritannien byggede forskere det første præcise atomur baseret på stoffet cæsium-133. Opfindelsen medvirkede til, at sekundet få år efter blev omdefineret efter atomures standard.

Præcision: ét sekund på 316 år

Cæsium og "sekundet"
© Ritzau Scanpix

1969: Armbåndsure får kvartskrystaller

Uret Seiko Quartz Astron 35SQ kommer på markedet. Det anses for at være det første armbåndsur baseret på kvartskrystaller og bringer præcis tidsmåling ud til almindelige mennesker.

Præcision: ét minut om året

Armbåndsur
© Deutches uhrenmuseum

I DAG: Atomure styrer landet

Det amerikanske National Institute of Standards and Technology (NIST) bruger atomure baseret på ytterbium til at styre tiden i landet.

Præcision: ét sekund på 300 mio. år

Moderne atomure
© NIST

Faktisk er de bedste atomure nu så gode, at de har nået den såkaldte standardkvantegrænse. Det vil sige, at fundamentale naturlove forhindrer dem i at blive mere præcise.

I kvantemekanikkens verden – den type fysik, som atomerne adlyder – må fysikerne altid leve med noget usikkerhed. Det skyldes helt grundlæggende, at man ikke på samme tid kan vide, nøjagtig hvor en partikel er, og hvor den er på vej hen.

Selvom fysikerne kender den frekvens, hvor elektronerne skifter energiniveau, meget præcist, er det kun muligt at kende den som et gennemsnit over mange forsøg. Man kan altså ikke regne med, at én enkelt energiovergang har præcis den velkendte frekvens, men forskerne ved, at hvis de observerer mange energiovergange, vil gennemsnittet passe.

Det svarer til, at et gammeldags pendulur ikke nødvendigvis slog én gang i sekundet, men nogle gange var et halvt sekund om et slag og andre gange halvandet.

Hvis man skulle forsøge at lave en præcis måling af ét sekund med sådan et pendulur, kunne løsningen være at stille en række ure op ved siden af hinanden og tage gennemsnittet af deres slag. På samme måde konstrueres moderne atomure ved, at adskillige tusind atomer beskydes på én gang, og derefter tager forskerne gennemsnittet.

Laser og atomure

Svingningerne i lyset fra en laser, der justeres af atomer, er pendulet i et atomur.

© N. Phillips / NIST

Problemet er, at forskerne ikke kan være sikre på, om alle atomerne lige præcis denne gang har slået for kort eller for langt. Men sandsynligheden for, at det sker, bliver mindre, jo flere atomer der beskydes. Man siger, at den statistiske spredning bliver mindre – men den bliver aldrig helt nul.

Laser filtrer atomerne sammen

I det tænkte eksempel, hvor forskerne tog gennemsnittet af mange pendulers slag, kunne man forestille sig, at de gik et skridt videre og lod pendulerne hjælpe hinanden.

Ved at sætte en stang mellem alle pendulerne kunne man tvinge dem til at slå med samme frekvens, fordi de penduler, der slog lidt for langsomt, ville bremse de hurtigere, og omvendt. På samme måde har fysikerne ved MIT i USA nu bundet ytterbium-atomerne i et atomur med 350 atomer sammen, så de hjælper hinanden med at holde tiden.

Atomer kan selvfølgelig ikke bindes sammen med en stang. I stedet har forskerne udnyttet, at atomer kan eksistere i såkaldt sammenfiltrede tilstande, hvor flere atomer i en gruppe reagerer, som var de ét. Når atomerne er sammenfiltrede, reduceres usikkerheden, fordi deres svingninger mødes i en enkelt frekvens, akkurat som de sammenbundne pendulure.

Rent praktisk presses atomernes spin – groft sagt deres rotation – sammen ved hjælp af en laser. Når atomernes spin er trykket sammen, betyder det, at hvis ét atom har spin i en bestemt retning, er der større sandsynlighed for, at det atom, det er trykket sammen med, har spin i samme retning.

600 gange så præcist som andre atomure er det nye ur med forbundne partikler.

Resultatet er, at usikkerheden bliver mindre og uret dermed mere præcist. Faktisk er det “sammenfiltrede” atomur, der endnu kun er en prototype, omkring 600 gange så nøjagtigt som traditionelle atomure. Uret ville tabe under en tiendedel af et sekund på de 13,8 mia. år, universet har eksisteret.

Mørkt stof får ure til at vise forkert

Så høj en præcision giver fysikerne helt nye muligheder for at udforske universets mystiske mørke stof, der kun er observeret via dets tyngdepåvirkning. Tyngdekraften og den tid, ure måler, hænger nemlig tæt sammen, fordi tiden går langsommere, hvor tyngdekraften er større.

Når fysikere måler på galaksers rotation og sammenligner målingerne med andre målinger af, hvor meget stof der er i galaksen, passer de to tal ikke sammen. Regnestykket går kun op, hvis forskerne antager, at der findes en masse stof i alle universets galakser, som ikke kan ses på anden måde end ved den tyngdekraft, det påvirker omgivelserne med.

Fysikerne har endnu ikke observeret mørkt stof i nærheden af Jorden, men det kan de ultrapræcise atomure lave om på.

Når en bølge af mørkt stof passerer Jorden, påvirkes ure af stoffets tyngdekraft og begynder at gå en smule ude af takt. Med ultrapræcise atomure i GPS-satelitter kan forskerne derfor måle, at det usynlige stof passerer forbi.

Kloden og mørkt stof
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

1. Usynligt mørkt stof rammer Jorden

En bølge af mørkt stof passerer gennem Jorden med omkring 300 km/s. Stoffet kaldes mørkt, fordi det ikke udsender nogen stråling. Det kan kun ses via den tyngdekraft, det påvirker omgivelserne med.

Mørkt stof og atomure
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

2. Stoffet forsinker satellitternes ure

Når det mørke stof har passeret de første GPS-satellitter (røde), vil stoffets tyngdepåvirkning få atomurene ombord til at gå minimalt langsommere. Satellitternes atomure viser nu en smule forkert.

Mørkt stof og atomure
© Ken Ikeda Madsen / Shutterstock

3. Tidsforskel er bevis på mørkt stof

Det mørke stof har endnu ikke været forbi satelliterne på den anden side af Jorden. Derfor viser deres ure en anden tid. Tidsforskellen beviser, at det mørke stof har passeret og interageret med urene.

Hvis det mørke stof passerer igennem et ur og interagerer med det, vil det nemlig kunne måles som en ganske lille fejl i tidsmålingen. Jo svagere det mørke stof interagerer med sine omgivelser, jo mindre vil den lille fejl være – og jo mere præcise ure kræver det at registrere den.

En gruppe forskere fra flere universiteter og laboratorier i USA forsøger at måle det mørke stof på netop denne måde.

Forskerne har brugt GPS-satellitter til at måle den minimale tidsforskel, der vil opstå, når mørkt stof har passeret en af satellitterne, men endnu ikke de andre. Men selvom satellitterne er udstyret med atomure, har de hidtil ikke været præcise nok til at afsløre det mørke stof.

Forskerne siger selv, at fremtidige målinger med et netværk af ekstremt præcise atomure i satellitter eller laboratorier på Jorden vil kunne forbedre målingerne. Så måske bliver det det nye sammenfiltrede atomur, der afslører gåden om det mørke stof i universet.