Fysikere har taget et kvantespring i bestræbelserne på at gøre tidsmåling mere præcis. Danske forskere fra Niels Bohr Instituttet har været med til at fordoble atomures nøjagtighed.
Arbejdet er udført sammen med kolleger fra University of Colorado og er offentliggjort i det ansete videnskabelige tidsskrift Science.
Atomure er de mest nøjagtige tidsmålere, og med de nye landvindinger er nøjagtigheden så stor, at atomurene kun taber ét sekund på 300 millioner år. Og den forbedring kan have stor betydning for fysikkens fremtid, forklarer Jan Westenkær Thomsen, der har stået i spidsen for den danske del af projektet, til videnskab.dk:
»Det er jo vores verdensbillede der er oppe til eksamen. Når vi kan måle tiden så nøjagtigt, kan vi gå ind og se, om naturkonstanterne er konstante i tiden. For det hviler hele vores naturbillede; fysikken, kvantemekanikken og Einsteins relativitetsteori på. Hvis der bare er en af dem, der driver i tiden, så falder vores naturbillede, som det er nu, til jorden. Og så er det noget, der skal laves fuldstændig om i vores beskrivelse af naturen.
Atomare pendulsving
Atomurene gør brug af strontium-atomer, der varmes op til gasform og fanges i et magnetfelt, hvor de fastholdes med laserlys og køles ned, så de kun er 1 milliontedel af en celsiusgrad varmere end det absolutte nulpunkt. I den tilstand kan forskerne udnytte atomernes kvante-egenskaber og få de elektroner, der bevæger sig rundt om atomkernen til at hoppe mellem to forskellige kvante-tilstande. Denne hoppen frem og tilbage svarer til at svinge med et pendul, ligesom på gammeldags kukure. Og det pendul kan man bruge som udgangspunkt for et urværk. Jo kortere det enkelte pendulsving er, jo mindre enheder kan man dele tiden op i. Og det gør tidsmålingen mere nøjagtig.
Hidtidige atomure har gjort brug af Cæsium-atomer, hvis elektron-pendul svinger ni milliarder gange på et sekund. Det giver en nøjagtighed, som svarer til, at uret taber ét sekund på cirka 80 millioner år.
Fermioner opfører sig ikke ens
\ Fakta
VIDSTE DU
Det absolutte nulpunkt er den lavest tænkelige temperatur. Den er pr. definition minus 273,15 grader celsius.
Strontium-atomers elektron-pendul svinger 100 billioner (100.000.000.000.000 eller 100.000 milliarder) gange på et sekund. Med strontium-atomurene er det lykkedes at få afvigelsen ned på ét sekund på 100 til 150 millioner år.
Man har ikke kunnet få dem mere nøjagtige end det, fordi de nedkølede strontium-atomer ikke opførte sig så ens, som forskere indtil nu har antaget.
I atomurene bruger man atomerne i en kvantetilstand, der kaldes fermion, hvor de normalt ikke 'forstyrrer' hinanden. Men i den nedkølede tilstand de bruges i, i atomure, begyndte fermionerne at 'se' hinanden og vekselvirke. Og det fik uret til at gå skævt.
Ved hjælp af en bestemt lysfrekvens er det imidlertid lykkedes forskerne at 'tøjle' fermionerne og fjerne unøjagtigheden.
Den perfekte tid
Det absolutte nulpunkt er den lavest mulige temperatur på -273,15 grader celsius. Selv om forbedringen af atomurene kun løber op i minimale brøkdele af et enkelt sekund, er det en vigtig forbedring når man for eksempel skal måle store afstande. De nye ure vil kunne bruges til at måle astronomiske afstande til fjerne galakser mange millioner lysår væk, eller bittesmå bevægelser i kontinentaldriften, hvilket kan hjælpe geofysikerne til at forudsige jordskælv.
»Det er vigtigt at avancere forskningen på dette område for at kunne måle afstande mere præcist og for eksempel kunne måle afstanden mellem kontinenterne dag for dag,« forklarer Jan Westenkær Thomsen.
Den nye forbedring er dog ikke nok til at stille lektoren i laserfysik ved Niels Bohr Institutet tilfreds. For ham er målet, en tidsmåling helt uden afvigelser:
»Vi drømmer om at få et atomur med perfekt nøjagtighed,« afslutter laserfysikeren.
Om det lykkes, vil tiden vise...
