Yttrium, atom, ur

Hopflätade atomer håller tiden

Mindre än en tiondels sekund – så lite skulle ett nytt, revolutionerande atomur visa fel om det hade gått ända sedan stora smällen. Uret, som utnyttjar ett kvantmekaniskt fenomen, är så exakt att det kanske kan hjälpa oss att hitta universums gåtfulla mörka materia.

Mindre än en tiondels sekund – så lite skulle ett nytt, revolutionerande atomur visa fel om det hade gått ända sedan stora smällen. Uret, som utnyttjar ett kvantmekaniskt fenomen, är så exakt att det kanske kan hjälpa oss att hitta universums gåtfulla mörka materia.

Ken Ikeda Madsen / Shutterstock

Ett modernt atomur går bara en sekund fel på 300 miljoner år. Om det hade börjat ticka vid universums begynnelse för 13,8 miljarder år sedan skulle det visa under en minut fel i dag. Det räcker visserligen gott och väl för att lösa vardagspusslet, men för fysikerna är det långt ifrån tillräckligt exakt.

Problemet är bara att uren har nått den gräns som sätts av atomernas egen bristfälliga precision. Atomer styrs nämligen av kvantmekanikens egendomliga lagar, som dikterar att atomernas svängningar aldrig kan mätas med fullständig precision.

Nu har dock forskare hittat ett sätt att göra atomuren mer exakta. Det gör de genom att dra nytta av ett annat märkligt fenomen inom kvantmekaniken, att atomer kan flätas samman så att de fungerar som en enhet.

Utvidgning av universum sedan stora smällen

Om det nya atomuret hade gått sedan stora smällen satte i gång universum för 13,8 miljarder år sedan skulle det ha förlorat mindre än en tiondels sekund.

© Shutterstock

Denna princip kommer att göra atomur så exakta att de bara skulle förlora en knapp tiondels sekund under all tid som har gått sedan stora smällen. Med så exakta ur kan fysikerna kanske äntligen lösa en av kosmologins största gåtor: Vad är mörk materia?

Ljus får elektroner att hoppa

Alla ur fungerar med hjälp av en regelbunden svängningsmekanism. I ett gammaldags pendelur sitter en tyngd längst ut på en stång som svänger från sida till sida. Varje gång pendeln har svängt en gång fram och tillbaka har det gått en sekund.

Om stångens längd och tyngden justeras perfekt svänger pendeln alltid med samma frekvens, vilket gör att uret varken går för fort eller för långsamt.

I realiteten begränsas emellertid ett pendelur alltid av hur välkonstruerad stången och tyngden är och hur snabbt drivmekanismen slits ut.

I atomur drar fysikerna nytta av det faktum att atomer kan få en laser att svänga med betydligt högre precision än en tyngd på en stång.

En atom består av en kärna, som är uppbyggd av protoner och neutroner, samt ett antal elektroner som kretsar runt kärnan. Elektronerna går i fasta banor, så kallade orbitaler, runt kärnan, som alla avgörs av elektronens energinivå.

När en elektron beskjuts med en laser i atomuret hoppar den till en annan energinivå, det vill säga till en annan bana runt kärnan. Elektronen vill dock gärna återgå till sitt normalläge och hoppar därför snabbt tillbaka igen.

Fysikerna kan mäta när elektronen hoppar tillbaka och använda elektronhoppet för att finjustera laserns frekvens, så att den blir konstant. Elektronen hoppar nämligen bara när den träffas av strålning av en viss frekvens.

Det är denna frekvens som fungerar som atomurets pendel. I moderna atomur, som är baserade på grundämnet ytterbium, slår pendeln 518 biljoner gånger per sekund.

Uren har nått naturens gräns

Sedan det första atomuret byggdes år 1949 har fysikerna gjort dem alltmer exakta.

Forskare har sprungit i kapp med tiden i 500 år

Sedan det första pendeluret såg dagens ljus på 1600-talet har uppfinnare och forskare arbetat med att försöka mäta tiden alltmer exakt och att göra uren mindre. I och med atomuret har sekunden fått en exakt definition.

1656: Pendeln börjar svänga

Christiaan Huygens uppfann det första pendeluret efter att ha inspirerats av dåtidens studier av pendlars egenskaper. Konceptet tänktes ut omkring 20 år tidigare av Galileo Galilei, men han hann inte bli klar med sitt arbete före sin död.

Precision: en minut om dagen

Gammalt ur
© Ritzau Scanpix

1720: Tiden får plats i fickan

Trots att fickur vid den här tidpunkten hade existerat i omkring 200 år, var det först med de tekniska förbättringarna i början av 1700-talet som uren blev tillräckligt exakta för att fungera som mer än bara prydnadsföremål.

Precision: tio minuter om dagen

Gammalt armbandsur
© Ritzau Scanpix

1927: Kvartskristall ger ökad precision

I och med uppfinningen av kvartsuret på Bell Laboratories i USA uppnådde vetenskapen en ny grad av precision. Tekniken baserades på att kristallen svänger med en viss frekvens.

Precision: cirka en minut om året

Kvartskristall ger ökad precision
© Alamy

1949: Atomer mäter tiden

Det första atomuret utvecklades på U.S. National Bureau of Standards (som i dag heter NIST). Uret var mindre exakt än dåtidens bästa kvartsur, men visade att principen fungerar.

Precision: cirka en sekund på åtta månader

Atomer mäter tiden
© Ritzau Scanpix

1955: Cesium ger sekunden en ny definition

I Storbritannien byggde en forskargrupp det första exakta atomuret baserat på ämnet cesium-133. Uppfinningen bidrog till att sekunden några år senare omdefinierades efter atomurens standard.

Precision: en sekund på 316 år

Cesium och ”sekunden”
© Ritzau Scanpix

1969: Armbandsur får kvartskristaller

Uret Seiko Quartz Astron 35SQ kommer ut på marknaden. Det räknas som det första armbandsuret baserat på kvartskristaller, och det förde ut exakt tidmätning till folket.

Precision: en minut om året

Armbandsur
© Deutches uhrenmuseum

I DAG: Atomur styr landet

Amerikanska National Institute of Standards and Technology (NIST) använder atomur baserade på ytterbium för att styra tiden i landet.

Precision: en sekund på 300 miljoner år

Moderna atomur
© NIST

Faktum är att de bästa atomuren nu är så bra att de har nått den så kallade standardkvantgränsen, det vill säga att grundläggande naturlagar hindrar dem från att bli mer exakta.

I kvantmekanikens värld, den typ av fysik under vilken atomerna lyder, måste fysikerna alltid leva med ett visst mått av osäkerhet. Det beror enkelt uttryckt på att man inte samtidigt kan veta exakt var en partikel befinner sig och vart den är på väg.

Trots att fysikerna med en mycket hög grad av precision känner till vid vilken frekvens elektronerna byter energinivå, är det bara möjligt att ange frekvensen som ett genomsnitt som uppmätts vid ett stort antal tillfällen. Man kan alltså inte räkna med att en viss energiövergång har exakt den välbekanta frekvensen, men forskarna vet att om de observerar många energiövergångar så kommer genomsnittet att stämma.

Det motsvarar att ett gammaldags pendelur inte nödvändigtvis slog en gång i sekunden, utan i vissa fall tog en halv sekund på sig och andra gånger en och en halv sekund.

Om man skulle försöka göra en exakt mätning av en sekund med ett sådant pendelur skulle lösningen kunna vara att rada upp en massa ur intill varandra och använda sig av genomsnittet av deras slag. På samma sätt konstrueras moderna atomur genom att tusentals atomer beskjuts samtidigt, varefter forskarna tar genomsnittet.

Laser och atomur

Svängningarna i ljuset från en laser som justeras av atomer är själva pendeln i ett atomur.

© N. Phillips / NIST

Problemet är att forskarna inte kan vara säkra på om alla atomerna just den här gången har tagit för kort eller för lång tid på sig. Sannolikheten för att det ska bli fel är dock mindre ju fler atomer som beskjuts. Man säger att den statistiska spridningen minskar. Den blir emellertid aldrig noll.

Laser flätar samman atomer

I det tänkta exemplet där forskarna tog ett genomsnitt av många pendlars slag skulle man kunna tänka sig att de gick ett steg längre och lät pendlarna hjälpa varandra.

Genom att sätta en stång mellan alla pendlarna skulle man kunna tvinga dem att slå med samma frekvens, eftersom de pendlar som slog lite för långsamt skulle bromsa de snabbare och tvärtom. På samma sätt har fysikerna vid MIT i USA nu bundit samman ytterbiumatomerna i ett atomur med 350 atomer, så att de hjälper varandra att hålla rätt på tiden.

Atomer kan naturligtvis inte sättas ihop med en stång, så i stället har forskarna dragit nytta av det faktum att atomer kan existera i så kallat hopflätat tillstånd, där flera atomer i en grupp reagerar som om de vore en och samma atom. När atomerna är hopflätade minskar osäkerheten, eftersom svängningarna möts i en enda frekvens, ungefär som de många pendeluren.

Rent praktisk pressas atomernas spinn – ungefär det samma som deras rotation – ihop med hjälp av en laser. När atomernas spinn pressas ihop, innebär det att om en atom har spinn i en viss riktning är det större sannolikhet att atomen som den pressas ihop med har spinn i samma riktning.

600 gånger mer exakt än andra atomur är det nya uret med hopflätade partiklar.

Det gör att oförutsägbarheten minskar och att uret därmed blir mer exakt. Faktum är att ett ”hopflätat” atomur, som än så länge bara existerar som en prototyp, är omkring 600 gånger mer exakt än ett traditionellt atomur. Uret skulle förlora mindre än en tiondels sekund på alla de 13,8 miljarder år som universum har existerat.

Mörk materia får ur att visa fel

En så hög precision ger fysikerna helt nya möjligheter att utforska universums mystiska mörka materia, som bara har observerats genom sin gravitation. Gravitationen och den tid ur mäter är nämligen tätt förbundna, eftersom tiden går långsammare när gravitationen är starkare.

När fysiker mäter galaxers rotation och jämför sina mätningar med andra mätningar som gjorts av mängden materia i galaxen, stämmer de två talen inte. Det enda sättet att få det att stämma är om forskarna antar att det finns en stor mängd materia i alla universums galaxer som inte kan observeras på något annat sätt än genom den gravitation med vilken den påverkar sin omgivning.

Fysikerna har ännu inte observerat mörk materia i närheten av jorden, men det kan de ultraprecisa atomuren komma att ändra på.

När en våg av mörk materia passerar jorden påverkas ur av materiens gravitation och börjar gå en aning fel. Med extremt exakta atomur i GPS-satelliter kan forskarna mäta när den osynliga materien passerar förbi.

Planeten och mörk materia
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

1. Osynlig mörk materia träffar jorden

En våg av mörk materia passerar genom jorden med en hastighet av omkring 300 kilometer per sekund. Materien kallas mörk för att den inte avger någon strålning. Den syns bara genom den gravitation med vilken den påverkar sin omgivning.

Mörk materia och atomur
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

2. Materien försenar satelliternas ur

När den mörka materien har passerat de första GPS-satelliterna (röda) kommer materiens gravitation att få atomuren ombord att gå lite, lite långsammare. Satelliternas atomur visar nu marginellt fel.

Mörk materia och atomur
© Ken Ikeda Madsen / Shutterstock

3. Tidsskillnad utgör bevis för mörk materia

Den mörka materien har ännu inte passerat satelliterna på andra sidan jorden, vilket gör att deras ur visar en annan tid. Tidsskillnaden visar att den mörka materien har passerat och interagerat med uren.

Om den mörka materien passerar genom ett ur och interagerar med det kommer det nämligen att kunna mätas som ett minimalt fel i tidmätningen. Ju svagare den mörka materien interagerar med sina omgivningar, desto mindre blir det lilla felet – och desto mer exakta ur krävs det för att registrera det.

En grupp forskare från flera universitet och laboratorier i USA försöker mäta den mörka materien på just detta vis.

Forskarna har använt GPS-satelliter för att mäta den minimala tidsskillnad som skulle uppstå när mörk materia passerar en av satelliterna före de andra. Trots att satelliterna är utrustade med atomur har de emellertid hittills inte varit tillräckligt exakta för att kunna avslöja den mörka materien.

Forskarna själva säger att framtida mätningar med ett nätverk av extremt exakta atomur i satelliter eller laboratorier på jorden kan förbättra mätningarna. Kanske kommer det nya hopflätade atomuret att avslöja gåtan om universums mörka materia.