Et sekund er altid et sekund.
Alligevel er ingen ure så præcise, at de måler den helt præcise længde på et sekund.
Selv de mest præcise atomure måler 0,000000000000000001 sekund forkert pr. sekund. Det modsvarer et sekund forkert på nogle milliarder år.
Ét sekund forkert på milliarder af år lyder umiddelbart som et meget præcist ur. Og det er det da egentlig også.
Alligevel vil forskere fra blandt andet Københavns Universitet gerne have et endnu mere præcist ur. Det vil de, fordi et mere præcist ur kan skabe teknologiske landvindinger, som det blandt skete med udviklingen af GPS, eller være med til at skabe revolutionerende grundvidenskabelige opdagelser.
Derfor foreslår forskerne, at man kobler atomerne i atomure rundt om i hele verden sammen med lysstråler til et stort netværk af atomure.
Netværket af atomure vil kunne måle tiden mere præcist end nogensinde før.
»Der vil være mange nye, interessante muligheder i at have et mere præcist ur. Derfor har vi lavet en skabelon for, hvordan man i fremtiden kan lave et ur, der har en helt uhørt præcision,« fortæller professor ved Niels Bohr Institutet Anders Søndberg Sørensen.
Forskernes forslag til et forbedret atomur er netop offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature Physics.
Præcise ure skabte GPS
Videnskabsfolk har altid været interesserede i mere præcise ure.
Med mere præcise ure følger mere præcise forsøg, og med mere præcis videnskab følger nye teknologiske muligheder.
GPS blev eksempelvis først mulig, da der blev opfundet et ur, der var så præcist, at det kunne måle med stor nøjagtighed, hvor lang tid et signal var om at komme fra en GPS-afsender på Jorden til satellitter i rummet.
Tilsvarende håber forskerne, at et mere præcist ur vil kunne lede til nye videnskabelige muligheder.
Blandt andet foregår der en debat i forskerkredse om, hvorvidt naturkonstanter i det hele taget er konstante.
Er Plancks konstant (som spiller en central rolle i kvantemekanikken) eksempelvis den samme i dag, som den var i går?
»Den slags spørgsmål vil man kunne besvare med et mere præcist ur, og det vil være et kæmpe videnskabeligt gennembrud at finde ud af det. Jeg kan selvfølgelig ikke forudsige, hvilke teknologiske muligheder der åbner sig med et mere præcist ur, men jeg forventer da, at der vil være nogle,« siger Anders Søndberg Sørensen.
Kollega: spændende og innovativt
Michael Drewsen er professor i Atom-, Molekylær-, og Optisk fysik ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet. Han har ikke deltaget i det nye studie, men har læst det, og han kalder kollegaernes arbejde »spændende og innovativt.«
»Det er enormt spændende. Det er et meget nyt koncept, der kan give os meget mere præcise ure, end vi har i dag. Det ligger dog stadig langt ude i fremtiden, men studiet kan give os et pejlemærke for, hvordan vi kan arbejde os hen imod at forbedre ure,« kommenterer Michael Drewsen.
Michael Drewsen er også enig med Anders Søndberg Sørensen i, at mere præcise ure vil gøre det muligt at teste underliggende fysikteorier og undersøge, om forskellige naturkonstanter virkelig er konstante.
»Det drejer sig ikke bare om at lave mere følsomme ure. Det drejer sig om, at vi får et redskab, der er følsomt over for en række fysiske effekter. Vi kan eksempelvis bruge et så præcist ur til at måle på forskelle i tyngdekraften på objekter, der er adskilt af få centimeter, og teste, hvor godt relativitetsteorien eksempelvis passer. For at måle disse ting skal vi have et instrument, der er præcist nok. Det kan vi måske få på den her måde,« siger Michael Drewsen.
Ure består af to dele
Inden vi fortsætter med forskernes idé til kobling af atomure, er det nok på plads lige at forklare, hvad et atomur er – eller i det hele taget, hvad et ur er.
Et hvilket som helst ur består grundlæggende af to dele:
- Noget der bevæger sig med en ensartet frekvens
- Noget der aflæser den bevægelige del og omsætter det til tid
Det er enormt spændende. Det er et meget nyt koncept, der kan give os meget mere præcise ure, end vi har i dag.
Michael Drewsen
I et bornholmerur er det for eksempel pendulet, der bevæger sig med en ensartet frekvens. Pendulets svingninger bliver efterfølgende omsat til sekunder, minutter og timer.
Princippet er det samme i et atomur.
Her er det frekvensen af elektronernes bevægelse rundt om atomkernen, der er den bevægelige del. Denne frekvens skal så bare aflæses og omsættes til sekunder, minutter og timer.
Forskellen på bornholmeruret og atomuret er dog, at frekvensen på pendulet varierer en smule, mens svingningerne i atomer er helt og aldeles ensartede hver gang, hvilket giver uhyre præcise ure.
Men selvom elektronerne altså bevæger sig rundt om atomkernerne med en helt ensartet frekvens, er det alligevel ikke muligt at få lavet et helt præcist ur på den konto.
Anders Søndberg Sørensen forklarer:
»Problemet opstår, når vi skal aflæse atomerne. Der kommer en lille måleusikkerhed, der gør, at atomuret mister et sekund over milliarder af år,« siger han.
Flere atomer i samme ur
For at gøre atomurene mere præcise, arbejder forskere på at koble flere atomer sammen i netværk inde i atomurene. De vil så at sige filtre atomerne sammen i, hvad der på fagsprog kaldes 'entanglement'.
Derved vil måleusikkerheden blive mindre, og dermed vil tiden også blive mere præcis.
Mange steder i verden arbejder forskere i disse år på at sammenfiltre atomerne i de enkelte ure for at gøre atomure mere præcise.
Det er dog en teknisk udfordring, der kan komme til at tage flere år at løse.
Sammenfiltre ure på tværs af kontinenter
Når forskere engang får løst problemerne omkring sammenfiltring af atomer, foreslår forskerne bag det nye studie, at man går skridtet videre og også sammenfiltrer atomerne på tværs af landene.
Ifølge teorien lader det sig gøre, ved at de forskellige atomure kobles sammen med lysstråler, der sender information med enkelte fotoner fra det ene ur til det andet.
På den måde kan der skabes en fysisk sammenfiltring mellem to atomure, der står på hvert deres kontinent.
»Det er et futuristisk og spekulativt forslag, men vores artikel kommer med skabelonen til, hvordan det kan lade sig gøre,« siger Anders Søndberg Sørensen.
Store udfordringer forude
Anders Søndberg Sørensen fortæller også, at der er mange tekniske udfordringer, der skal løses, før det kan lade sig gøre at koble flere ure med lys.
For det første skal man have løst opgaven med at sammenfiltre atomer i det enkelte atomur. Det arbejder forskere på højtryk for at løse.
Derefter skal man have skabt teknikken til at kunne sende information via en enkelt foton – denne teknik arbejder forskere rundt om i hele verden allerede på at opfinde i krypteringsøjemed.
Ret beset ville det faktisk også være meget nemmere, hvis alle lande allokerede deres budgetter til forskning i atomure til ét land, og lod fem atomure bygge i eksempelvis Frankrig.
Derved var det ikke nødvendigt overhovedet at sammenfiltre atomer på tværs af kontinenter.
»Det ville jo være den nemmeste løsning, men det kan måske ikke lade sig gøre af politiske grunde. Man kan sige, at vi her kommer med en meget svær teknisk løsning på et politisk problem,« siger Anders Søndberg Sørensen.
Anders Søndberg Sørensen håber på, at et mere præcist ur kan være en mulighed om 20 år, men han erkender også, at der kan gå op til 100 år, før det bliver en realitet, hvis det overhovedet lader sig gøre.
