Tag et kig på dit armbåndsurs sekundviser. Mens det tikker taktfast og ufortrødent derudad, vil bittesmå fejl i mekanikken og variationer i temperaturen ændre, hvor lang tid uret er om at måle et sekund.
Ændringen er umærkelig, men for verdens mest præcise måleinstrumenter – atomurene – er der en verden til forskel.
Nu har fysikere på det amerikanske måleinstitut National Institute of Standards and Technology (NIST) bygget de to mest fintfølende atomure nogensinde.
Urene måler tiden så præcist, at selv små ændringer i tyngdefeltet, som forlænger eller forkorter tidens hastighed forsvindende lidt, bliver opfanget.
Nu vil forskerne blandt andet sætte urene til at måle, hvor rund Jorden er.
Atomer fintuner ultrapræcise ure
Alle ure måler tiden med en mekanisme, der skaber svingninger, som altid varer præcis lige lang tid – et pendul, der svinger taktfast frem og tilbage, eller en krystal, der vibrerer nøjagtig ens, når strøm sendes igennem den.
Jo højere frekvensen i svingningerne er, des mere præcist kan uret måle tiden.
I atomure tæller en computer antallet af svingninger udsendt af laser. For at sikre, at laseren altid udsender den samme frekvens, placerer fysikerne nøje udvalgte atomer af samme type i laserens skudlinje.
Alle atomer har et antal elektroner, der kredser i faste baner rundt om kernen.
Når de beskydes med elektromagnetisk stråling – som fx lys – med en specifik frekvens, vil nogle af elektronerne flytte sig fra én bane til en anden. Når de flytter sig, kan fysikerne måle, at atomet er i en højere energitilstand.
Men elektronerne hopper kun, hvis de rammes af lys med den helt rigtige frekvens.
Ytterbium gør atomur billioner gange mere præcist
De nye atomure på NIST benytter sig af atomet ytterbium, hvor frekvensen for energiovergangen er præcis 518.295.836.590.863,6 svingninger pr. sekund.
Atomuret er altså 518 billioner gange mere præcist end et armbåndsur, der kun tikker én gang i sekundet.
I modsætning til mekaniske ure, der er sårbare over for produktionsfejl, eller krystaller, der udvider sig, når temperaturen stiger, vil atomer altid have den samme frekvens uanset forholdene i det lokale miljø.
Atomuret tikker billioner af gange hvert sekund
I et atomur agerer en laser med en meget nøjagtig bølgelængde pendulet, mens fastfrosne atomer sørger for at korrigere selv den mindste afvigelse i laserens udsving.
På den måde er atomuret selvjusterende, og med ytterbiumatomer har forskerne nu gjort præcisionen på urene mange gange højere.
Frekvens afgør tiden
En laser udsender lys ved en frekvens på 518 billioner svingninger pr. sekund. En forstærker ensarter og forstærker lyset.
Antallet af svingninger, laseren udsender, tælles løbende og omregnes til sekunder, minutter og timer.
Atomer går i fælden
1000 ytterbiumatomer fanges af lasere, som køler atomerne til det absolutte nulpunkt, så de står helt stille. Magneter holder også atomerne på plads.
Laseren fintunes
En sensor opfanger energiskiftet i atomerne.
Laseren fintunes
Hvis ikke skiftene sker som forudset, er frekvensen en anelse forkert, og en korrektion sendes tilbage til laseren.
Atomure gør GPS’en mere præcis
De mest pålidelige atomure er i dag baseret på atomet cæsium-133, som skifter energitilstand ved 9.192.631.770 svingninger pr. sekund, og derfor er dette tal i dag selve definitionen på et sekund.
Definitionen af tid er dermed meget mere præcis end forskernes definitioner af vægt og afstand. Atomure er derfor ikke bare de mest præcise ure, vi har, men de mest præcise måleinstrumenter overhovedet.
Uden atomurene ville forskere ikke kunne måle over lange afstande og bestemme massen af store himmellegemer med samme præcision, som vi kan i dag.
Alle GPS-satellitter indeholder fx et atomur. Når en mobiltelefon beder GPS-netværket om sin placering på Jorden, svarer fire satellitter med deres position over Jorden og en nøjagtig tidsangivelse for, hvornår signalet sendes fra satellitterne.
Mobiltelefonen udregner nu sin afstand til hver af satellitterne ved at gange rejsetiden for signalerne med lysets hastighed, som er den fart, signalerne rejser med – godt 300 millioner meter i sekundet.
Derfor ville en afvigelse i urenes synkronicitet på bare en milliontedel af et sekund føre til en fejlberegning på omkring 300 meter.
Radioaktivt atom bestemmer længden på et sekund
Når elektroner rundt om et atom rammes af lys med en specifik frekvens, bringes de i en højere energitilstand. Ændringen kan måles, og på den måde ved forskerne, at frekvensen er rigtig.
Mange atomure bruger det radioaktive atom cæsium-133. Derfor er længden på et sekund i dag defineret ud fra den frekvens, hvor cæsium ændrer energitilstand – 9.192.631.770 svingninger pr. sekund.
Ure kortlægger Jordens tyngdefelt
Selvom de udbredte cæsium-atomure er pålidelige, er de to nye ytterbium-ure hos NIST – kaldet Yb-1 og Yb-2 – over 50.000 gange mere præcise. Faktisk er urene så følsomme, at deres målinger forstyrres af selv små forskelle i Jordens tyngdefelt.
Sammenhængen mellem tyngdekraften fra Jorden og den tid, urene måler, er bestemt i relativitetsteorien, som Albert Einstein udviklede for godt 100 år siden. Ifølge teorien går tiden langsommere, når tyngdekraften er stor.
Men selvom følsomheden giver forskerne en lang række nye fejlkilder at tage højde for, har de fundet ud af at bruge fænomenet til deres fordel.
Jorden er ikke en perfekt kugle. Fra høje bjergtinder til dybe dale varierer højden af overfladen og dermed også styrken af tyngdekraften.
Styrken er nemlig blandt andet bestemt af afstanden til Jordens centrum. Tyngdekraften på et højt bjerg trækker en smule mindre end for foden af bjerget.
Kraftens styrke er også styret af, hvor tæt materialet i den lokale undergrund er. Jo højere massefylde et materiale har, des mere tyngdekraft vil der være i området.
Forskellene er alt for små til at kunne mærkes af mennesker, men det kan tydeligt aflæses på de præcise ure.
I en artikel udgivet i tidsskriftet Nature foreslår forskerne bag Yb-1 og Yb-2 derfor at placere ytterbium-ure over hele verden. Forskellen på den tid, urene måler, kan oversættes til forskelle i Jordens tyngdekraft.
Med data fra hele kloden kan geologer på den måde fx beregne den lokale massefylde af undergrunden og på den måde finde sjældne mineraler eller kostbare jordmetaller uden at skulle grave.
Ure skal jagte tyngdebølger
Der var ingen fysikere, der havde forudset, hvilken rolle atomure i dag spiller i moderne navigation, da det første atomur blev bygget. Det er heller ikke til at sige, hvad de nye, mere præcise ure vil blive brugt til om 50 år.
En mulighed, forskerne selv peger på, er, at urene kan sættes til at eftergøre et af de største eksperimenter i fysikken i nyere tid.
I 2017 vandt forskere bag eksperimentet LIGO Nobelprisen for at have påvist og målt eksistensen af tyngdebølger. Det er bølger af tyngdekraft, der dannes, når to meget tunge himmellegemer – som fx sorte huller – støder sammen et sted i universet.
Tyngdebølgedetektorer er gigantiske instrumenter, der strækker sig over flere kilometer for at kunne opfange en ændring af Jordens form med få nanometer, når tyngdebølgerne ruller gennem planeten.
I stedet for at måle, hvordan rummet vrider sig, kan atomurene måle, hvordan tiden vrider sig, når bølgerne ændrer den lokale tyngdekraft en smule.
Urene er billigere i drift, så Yb-1 og Yb-2 kan give forskerne flere målinger af tyngdebølgerne, som ofte indeholder unikke data om universets begyndelse.
På sporet af mørkt stof
En anden anvendelsesmulighed for urene er at jagte mørkt stof. Fysikernes bedste model til at beskrive de mindste byggesten i universet – den såkaldte standardmodel – kan kun gøre rede for en brøkdel af det stof, forskere kan observere i universet.
Beregninger har vist, at 85 pct. af massen i verdensrummet består af stof, som er usynligt for teleskoperne – såkaldt mørkt stof.
Forskerne har aldrig fundet noget af stoffet, men de ved, at det påvirker tyngdefeltet omkring sig. Måske bliver det Yb-1 og Yb-2, der leder forskerne på sporet af det mørke stof.
