Titta på sekundvisaren på ditt armbandsur. Medan den oavbrutet och taktfast tickar, så påverkar minimala fel i mekaniken samt temperaturändringar hur lång tid det tar klockan att mäta en sekund.
Förskjutningen är omärkbar, men för världens mest exakta mätinstrument – atomuren – är skillnaden enorm.
Nu har fysiker på det amerikanska mätinstitutet National Institute of Standards and Technology (NIST) i byggt världens mest finkänsliga atomur.
De mäter tiden med så stor precision att de uppfattar även små ändringar i gravitationsfältet, som förlänger eller förkortar tidens hastighet det minsta lilla.
Nu ska forskarna använda klockorna till att bland annat mäta hur rund jorden är.
Atomer finjusterar exakta klockor
Alla klockor mäter tiden med hjälp av en mekanism som alltid skapar lika långa svängningar – en pendel som taktfast svänger fram och tillbaka, eller en kristall som vibrerar alldeles jämnt när elektricitet passerar genom den.
Ju högre frekvens svängningarna har, desto mer exakt mäter klockan tiden.
I atomur räknar en dator antalet svängningar som skickas ut av en laser. Fysikerna placerar noga utvalda atomer av samma typ i laserns skottlinje för att säkerställa att lasern alltid skickar ut samma frekvens.
Alla atomer har ett antal elektroner som kretsar i fasta banor runt kärnan.
När de beskjuts med elektromagnetisk strålning (exempelvis ljus) med en viss frekvens, vandrar en del elektroner från en bana till en annan.
När de vandrar kan fysikerna mäta att atomen befinner sig i ett högre energitillstånd. Men elektronerna hoppar bara om de träffas av ljus med exakt rätt frekvens.
Ytterbium gör atomur biljoner gånger mer exakt
De nya atomuren på NIST använder atomen ytterbium, vars frekvens för energiövergången är exakt 518 295 836 590 863,6 svängningar per sekund.
Atomuret är alltså 518 biljoner gånger mer exakt än ett armbandsur som bara tickar en gång i sekunden.
Till skillnad från mekaniska klockor, som är känsliga för tillverkningsfel, eller kristaller, som utvidgas när temperaturen stiger, har atomer alltid samma frekvens oberoende av de närmaste omgivningarna.
Atomuret tickar biljontals gånger per sekund
I ett atomur är pendeln en laser med extremt exakt våglängd, samtidigt som fastfrusna atomer korrigerar de minsta avvikelserna i laserns svängningar.
Det betyder att atomuret är självjusterande och tack vare ytterbiumatomerna är klockornas precision nu många gånger högre.
Frekvens anger tiden
En laser sänder ut ljus vid en frekvens på 518 biljoner svängningar per sekund. En förstärkare likriktar och förstärker ljuset.
Antalet svängningar som lasern sänder ut räknas kontinuerligt och omvandlas till sekunder, minuter och timmar.
Atomer går i fällan
1 000 ytterbiumatomer fångas av lasrar som kyler ned atomerna till den absoluta nollpunkten, så att de står stilla. Magneter håller atomerna på plats.
Lasern finjusteras
En sensor uppfattar energiväxlingen i atomerna.
Lasern finjusteras
Om den upptäcker avvikelser är frekvensen en aning fel, och en korrektion skickas tillbaka till lasern.
Atomur finjusterar gps
Dagens mest pålitliga atomur grundar sig på atomen cesium-133, som byter energitillstånd vid 9 192 631 770 svängningar per sekund. Därför är detta tal i dag den gällande definitionen av en sekund.
Det innebär alltså att definitionen av tid är mycket mer precis än forskarnas definitioner av vikt och avstånd. Atomur är därmed våra mest exakta mätinstrument.
Utan atomur skulle forskare inte kunna mäta över långa avstånd eller mäta himlakroppars massa med samma höga precision som de kan i dag.
Alla gps-satelliter har exempelvis ett atomur. När en mobiltelefon frågar gps-nätverket om sin placering på jorden svarar fyra satelliter med sina positioner och en exakt uppgift om när signalen skickas från satelliterna.
Mobiltelefonen räknar ut avståndet till satelliterna genom att multiplicera signalernas färdtid med ljusets hastighet, signalernas färdhastighet – drygt 300 miljoner meter i sekunden.
En avvikelse i klockornas synkronicitet på bara en miljondel av en sekund skulle därmed leda till en felberäkning på omkring 300 meter.
Radioaktiv atom bestämmer längden av en sekund
När elektronerna runt en atom träffas av ljus med en viss frekvens försätts de i ett högre energitillstånd. Denna förändring kan mätas och på så sätt vet forskarna att det är rätt frekvens.
Många atomur använder den radioaktiva atomen cesium-133. Därför definieras i dag en sekunds längd utifrån den frekvens vid vilken cesium ändrar energitillstånd – 9 192 631 770 svängningar per sekund.
Atomur utforskar gravitationsfält
De vanliga cesium-atomuren är visserligen pålitliga, men de nya ytterbium-klockorna hos NIST – kallade Yb-1 och Yb-2 – är mer än 50 000 gånger mer exakta. Klockorna är så känsliga att deras mätningar rubbas av minsta skillnad i jordens gravitationsfält.
Sambandet mellan gravitationskraften från jorden och den tid klockorna uppmäter konstaterades redan i relativitetsteorin, som Albert Einstein utvecklade för drygt 100 år sedan. Enligt teorin går tiden långsammare när gravitationskraften är stark.
Men forskarna har lyckats vända fenomenet till sin fördel även om de får ta med flera nya felkällor i beräkningen på grund av känsligheten.
Jorden är inte ett perfekt klot. Från höga bergstoppar till djupa dalar varierar ytans höjd och därmed även gravitationskraftens styrka.
Styrkan avgörs nämligen bland annat av avståndet till jordens centrum. Gravitationskraften på toppen av ett högt berg är en aning svagare än vid bergets fot.
Gravitationens styrka styrs även av materialet i berggrunden. Ju högre densitet ett material har, desto mer gravitationskraft finns det i området.
Skillnaderna är alltför små för att uppfattas av människor, men de kan tydligt avläsas på de exakta klockorna.
I en artikel som publicerats i tidskriften Nature vill forskarna bakom Yb-1 och Yb-2 därför att ytterbiumklockor ska placeras över hela världen. Tidsskillnaderna mellan klockornas mätningar kan översättas till skillnader i jordens gravitationskraft.
Med data från hela jordklotet kan geologer exempelvis beräkna densiteten i regionens berggrund och på så sätt hitta sällsynta mineraler eller dyrbara jordmetaller utan att gräva.
Klockor jagar gravitationsvågor
När de första atomuren byggdes kunde ingen fysiker förutspå vad klockorna skulle betyda för modern navigation. Det går inte heller att säga vad de nya, mer exakta klockorna kommer att användas till om 50 år.
En möjlighet som forskare själva föreslår är att imitera ett av senare års största fysikexperiment.
År 2017 vann forskare bakom LIGO-experimentet Nobelpriset efter att ha påvisat och uppmätt existensen av gravitationsvågor. Det är vågor av gravitationskraft som bildas när två mycket tunga himlakroppar – exempelvis svarta hål – kolliderar någonstans i universum.
Gravitationsvågsdetektorer är jättelika instrument, som täcker flera kilometer för att uppfatta nanometerstora förändringar i jordens form, när gravitationsvågor rullar genom planeten.
Atomuren mäter hur tiden, i stället för rummet, vrider sig när vågorna förändrar gravitationskraften en aning.
Klockorna är billigare i drift, så Yb-1 och Yb-2 kan leda till fler mätningar av gravitationsvågor som ofta innehåller unik information om universums begynnelse.
Mörk materia på spåret
Ett annat möjligt användningsområde är jakten på mörk materia. Fysikernas bästa modell för att beskriva universums minsta byggstenar – den så kallade standardmodellen – redogör bara för en bråkdel av den materia som forskare kan observera i universum.
Beräkningar har visat att 85 procent av massan i världsrymden består av materia som är osynlig för teleskopen – så kallad mörk materia.
Forskarna har aldrig hittat någon sådan materia, men de vet att den påverkar gravitationsfältet som omger den. Kanske kan Yb-1 och Yb-2 hjälpa forskarna att få upp spåret på den mörka materian.
