Tiden går – eller gør den?

Newton var den første, der behandlede begrebet tid på en matematisk præcis måde, og i sit hovedværk ‘Principia’ fra 1687 beskriver han tiden som en egenskab ved universet; noget, der bevæger sig jævnt fremad upåvirket af, hvad vi mennesker foretager os.

Udfra det billede kunne han opstille bevægelsesligninger, der blev grundlaget for den klassiske mekanik, og som vi den dag i dag bruger, når vi skal beregne banen for en GPS-satellit eller for en rumsonde, der skal lande på en af Saturns måner.

Der er altså ingen tvivl om, at Newtons tidsbegreb er livskraftigt og umådelig nyttigt.

Når vi følger Newton og siger, at tiden går, benytter vi et billede fra dagligdagen. Men her giver det kun mening at sige, at noget går, når det bevæger sig i forhold til noget andet, der står stille.

Så når tiden går, hvad går den så i forhold til? Hvis tid er en egenskab ved universet, så må det, der ikke går, jo være noget udenfor universet, og så bliver billedet pludselig problematisk.

En af dem, der så et problem i Newtons tidsopfattelse, var den østrigske fysiker Ernst Mach.

I sin bog ‘Die Mechanik in ihrer Entwickelung’ fra 1883 skriver han, at »det er umuligt at benytte tiden til at måle, hvorledes tingene ændrer sig. Tværtimod er tiden en abstraktion, som vi når frem til ved at iagttage, hvorledes tingene ændrer sig«.

Hvis vi følger Machs tankegang, er tid altså ikke en egenskab ved universet, men et begreb, der opstår i den menneskelige bevidsthed, når vi iagttager forandringer.

Det lyder måske sært, men lad os se på en analogi: Begrebet penge.

Der er nok ingen, der vil hævde, at penge er en egenskab ved universet. Jægere og samlere byttede sig til de ting, de havde brug for, og bytteobjekterne måtte værdisættes direkte over for hinanden.

Men for omkring 5.000 år siden fødtes ideen om at værdisætte alt i forhold til en fælles standard: Penge. Og som penge kan benyttes hvad som helst, man kan enes om – sneglehuse, glasperler, mønter, sedler eller bitcoins.

På samme måde som forhistoriske mennesker sammenlignede værdien af deres bytteobjekter, kunne fysikere i princippet sammenligne forskellige udviklingsforløb direkte med hinanden – for eksempel ved at sige at vores måne bevæger sig en gang rundt om Jorden, mens Jupiters inderste måne Io bevæger sig 15,4435 gange rundt om Jupiter, eller mens Jorden roterer 27,3965 gange om sin egen akse.

Og ligesom indførelse af begrebet penge gav helt nye muligheder for enhver form for handel, betød indførelsen af begrebet tid nye muligheder for at beskrive fysiske processer og for at forstå sammenhænge mellem naturfænomener.

Vi lever i en verden fyldt med ‘objektive realiteter’ som planeter, bjerge og træer – ting som, vi med rimelighed kan antage, eksisterer uafhængigt af, om vi mennesker er her eller ej.

Tid og penge er to eksempler på det, man kalder ‘intersubjektive realiteter’. Nemlig noget der kun eksisterer i vores bevidsthed i kraft af en fælles forståelse mellem mennesker. Og at de kom til verden nogenlunde samtidig for cirka 5.000 år siden, skyldes, at de bygger på en fælles nødvendig forudsætning: Eksistensen af et skriftsprog.

Jorden – vort masterur

Hvis begreber som tid og penge skal være til nogen nytte, må vi være enige om måleenhederne. For pengenes vedkommende var der ikke noget naturligt valg, og man har bevæget sig fra guldmønter via amerikanske dollars til nutidens system af valutaer med frit flydende vekselkurser.

For tidens vedkommende tilbød der sig derimod en indlysende mulighed, der kan spores helt tilbage til de sumeriske lertavler med kileskrift.

Et ur er et apparat, der regelmæssigt gentager det samme mønster igen og igen, og det, vi måler med uret, kalder vi ‘tid’. Kan man tænke sig et mere ideelt masterur end Jorden med sin fuldstændig regelmæssige rotation om sin egen akse?

Den har roteret i millioner af år, er tilgængelig for alle, og døgnet er den naturlige tidsenhed. Vi skal frem til 1967, før nogen fik en bedre ide. Mere herom om lidt.

For at underdele døgnet i mindre enheder brugte man i tusinder af år først solure og senere forskellige varianter af ure, hvor sand eller vand løber med konstant hastighed fra en beholder til en anden.

Oldtidens egyptere indførte timer som 1/12 af tiden fra solopgang til solnedgang. Det betød, at varigheden af en time afhang af årstiden, og først i middelalderen var der udviklet mekaniske ure med en nøjagtighed, der gjorde det praktisk at definere en time som 1/24 af et døgn.

Betegnelserne minutter og sekunder kan spores tilbage til omkring år 1000, men det var først i 1600-tallet, at man med penduluret kunne måle tid med tilsvarende nøjagtighed.

Fra pendulur til kvartsur

Det var Galilei, der påviste, at svingningstiden for et pendul kun afhænger af dets længde, og det var Huygens, der i 1657 udnyttede dette og tog patent på et ur, der gik med en nøjagtighed på 8 sekunder på et døgn.

Over de næste små 300 år blev der arbejdet systematisk med at minimere alle mulige fejlkilder i penduluret, og det nåede grænsen for sin ydeevne med Shortt-uret, der i 1930 havde en nøjagtighed på 0,003 sekunder på et døgn.

Enheden for tid – sekundet – var defineret som 1/86400 af et døgn. Man var godt klar over, at døgnets længde ikke er konstant hen over året, fordi Jordens bane om solen er elliptisk, men det kom man ud over ved at benytte et middelsoldøgn i definitionen.

Men der er jo aldrig noget, der er godt nok. Dels ville man gerne forbedre nøjagtigheden, men man ville også gerne kunne arbejde med tidsintervaller langt mindre end et sekund, og så skal pendulet tikke langt hurtigere, end det gør i penduluret.

Det førte til udviklingen af kvartsuret, som i en periode på små 30 år var det ypperste inden for tidsmåling, og som stadigvæk benyttes i armbåndsure, computere og så videre.

Atomet – det ultimative pendul

Omkring midten af 1900-tallet havde man så godt styr på atomers fysik, at der opstod helt nye muligheder. Et atom kan kun eksistere i ganske bestemte energitilstande, og det kan flyttes mellem to tilstande ved at absorbere eller udsende elektromagnetisk stråling med en frekvens, der præcist svarer til energiforskellen.

Hvis man sender mikrobølger gennem en sky af cæsiumatomer, vil strålingen kunne absorberes – men kun hvis den har lige netop den rigtige frekvens.

Det benytter man til at låse frekvensen af mikrobølgerne til den karakteristiske frekvens for cæsiumatomet. Man kan nu bruge mikrobølgegeneratoren som ‘pendul’, og hvis man kobler den til et tælleværk, der måler frekvensen, har man et atomur.

Verdens første cæsiumur, der så dagens lys i England i 1955, havde en nøjagtighed på 0,00001 sekunder på et døgn, og dets ‘pendul’ tikkede 9.192.631.770 gange i sekundet.

Den store nøjagtighed bygger på, at atomers energitilstande er ekstremt upåvirkelige af indflydelse fra omgivelserne.

Et nyt sekund

Med atomuret som tidsmåler kunne man nu konstatere, at Jorden, vort masterur, ikke går så nøjagtigt, som man troede, og at middelsoldøgnet systematisk bliver længere med op til cirka 1 sekund om året.

Det skyldes, at tidevandsfeltet fra Månen sætter oceanerne i bevægelse, og det koster noget energi, der tages fra Jordens rotation.

Men hvis Jorden roterer langsommere og langsommere, er middelsoldøgnet et dårligt udgangspunkt for definition af sekundet, og i 1967 vedtog man i stedet at definere 1 sekund som tiden for 9.192.631.770 svingninger af den stråling, der er i resonans med atomerne i cæsiumuret.

I dag er international atomtid TAI (Temps Atomique International) givet ved middelvisningen af omkring 400 cæsiumure, der står på 50 nationale laboratorier rundt omkring i verden.

TAI bygger alene på cæsiumatomets fysik, og cæsiumuret tikker fremad med den ultimative præcision. Men hvis vi benyttede TAI i det daglige, ville klokken efterhånden komme forud for døgnrytmen og for at sikre, at det i al fremtid vil være middag, når klokken er 12 og midnat, når den er 24, benytter vi i stedet UTC (Universal Time Coordinated).

Den følger TAI, men man sørger for, at den over lang tid holder takt med Jordens rotation ved, når det er nødvendigt at indføre et skudsekund. Sidste gang, det skete, var 31. december 2016 klokken 23:59:59.

Har vi overhovedet brug for den nøjagtighed?

Over 60 år med cæsiumure er deres nøjagtighed blevet yderligere forbedret med en faktor 1.000.000, og der er udviklet endnu nøjagtigere ure, der benytter atomer som strontium og aluminium i forbindelse med optisk stråling.

Har vi virkelig brug for så nøjagtige tidsmålinger? Tja – hver gang du benytter den GPS, der med stor sandsynlighed er i din telefon, kan du jo tænke på, at din position bestemmes ud fra tidsmålinger med atomure i fire satellitter 20.200 km over jordoverfladen.

Du kunne sikkert godt leve uden en GPS, men det kan de selvkørende biler ikke. Det er det, man kalder udviklingen!