Sammenkoblede atomer passer tiden

Prinsippet vil gjøre atomur så presise at de ville ha sakket under en tiendedel av et sekund på den tiden som har gått siden big bang. Med så nøyaktige klokker kan fysikerne kanskje endelig løse en av kosmologiens aller største gåter: Hva er mørk materie?

Lys får elektroner til å hoppe

Alle klokker fungerer ved hjelp av en mekanisme som alltid bruker like lang tid på samme bevegelse. I et gammeldags pendelur sitter det en vekt i enden av en stang som svinger fra side til side. Hver gang pendelen har vært en gang fram og tilbake, har det gått et sekund.

Hvis stangen og vekten i enden er lagd presist, vil pendelen alltid svinge med samme frekvens, og klokken vil verken gå for fort eller for sakte.

I virkelighetens verden vil en pendelklokke alltid være begrenset av hvor nøyaktig stang og vekt er framstilt, og hvor raskt drivmekanismen blir slitt.

I atomur utnytter fysikerne at atomer kan få en laser til å vibrere med mye større presisjon enn en pendel.

Et atom består av en kjerne av protoner og nøytroner og en rekke elektroner som går i bane rundt kjernen. Elektronene befinner seg i faste baner, som kalles orbitaler, rundt kjernen, bestemt av elektronets energinivå.

Når et elektron blir beskutt med laser i atomuret, hopper det til et annet energinivå, altså ut i en annen bane. Elektronet vil imidlertid gjerne tilbake til sitt eget energinivå og hopper raskt hjem igjen.

Fysikerne kan måle når elektronet hopper tilbake, og dermed kan de bruke spranget til å finstemme frekvensen til laseren slik at den blir helt konstant. Elektronet vil nemlig bare hoppe når det blir truffet av stråling med en helt bestemt frekvens.

Det er denne frekvensen som fungerer som atomurets pendel. I moderne atomur, som er basert på grunnstoffet ytterbium, slår pendelen 518 billioner ganger hvert sekund.

Klokkene har nådd naturens grense

Siden det første atomuret ble bygd i 1949, har fysikerne gjort dem mer og mer presise.

Faktisk er de beste atomurene nå så gode at de har nådd den såkalte standardkvantegrensen. Det vil si at fundamentale naturlover forhindrer dem i å bli mer presise.

I kvantemekanikkens verden – den typen fysikk som atomene adlyder – må fysikerne alltid leve med litt usikkerhet. Det skyldes at man ikke kan vite nøyaktig hvor en partikkel er, og nøyaktig hvor den er på vei, på samme tid.

Selv om fysikerne vet veldig mye om den frekvensen der elektronene skifter energinivå, er det bare mulig å observere den som et gjennomsnitt over mange forsøk. Man kan altså ikke regne med at en enkelt energiovergang har nøyaktig den velkjente frekvensen, men forskerne vet at hvis de observerer mange energioverganger, vil gjennomsnittet stemme.

Det ville svart til at en gammeldags pendelklokke ikke nødvendigvis brukte nøyaktig et sekund på et slag, men noen ganger brukte litt mindre og andre ganger litt mer.

Hvis man skulle forsøke å utføre en presis måling av et sekund med en slik pendelklokke, kunne løsningen være å stille opp en rekke klokker ved siden av hverandre og ta gjennomsnittet av slagene. På samme måte konstrueres moderne atomur ved at mange tusen atomer beskytes på en gang, og deretter tar forskerne et gjennomsnitt.

Problemet er at atomene akkurat denne gangen kan ha slått litt for kort eller litt for langt. Men sannsynligheten for at det skjer, blir mindre jo flere atomer som beskytes. Man sier at den statistiske spredningen blir mindre – men den blir aldri null.

Laser filtrer sammen atomene

I det tenkte eksempelet der forskerne tok gjennomsnittet av slagene til mange pendler, kunne man forestille seg at de gikk et skritt videre og lot pendlene hjelpe hverandre.

Ved å sette en stang mellom alle pendlene kunne man tvinge dem til å slå med samme frekvens fordi de som slo litt for langsomt, hadde bremset dem som var raskere, og omvendt. På samme måte har fysikerne ved MIT i USA nå bundet 350 ytterbiumatomer i et atomur sammen slik at de hjelper hverandre med å holde takten.

Atomer kan selvfølgelig ikke bindes sammen med en stang. I stedet har forskerne utnyttet at atomer kan eksistere i såkalt sammenfiltrede tilstander, der flere atomer i en gruppe reagerer som om de var sammenkoblet. Når atomene er sammenfiltret, reduseres usikkerheten fordi svingningene møtes i en enkelt frekvens, akkurat som pendler som er festet i hverandre.

Rent praktisk presses atomenes spinn – grovt sagt rotasjonen – sammen ved hjelp av en laser. Når atomenes spinn er trykket sammen, betyr det at hvis et atom har spinn i en bestemt retning, er det større sannsynlighet for at det atomet det er trykket sammen med, har spinn i samme retning.

Resultatet er at usikkerheten blir mindre, og at klokken dermed blir mer presis. Faktisk er det «sammenfiltrede» atomuret, som fortsatt bare er en prototype, omkring 600 ganger så nøyaktig som tidligere varianter. Klokken ville ha sakket under en tiendedel av et sekund på de 13,8 milliarder årene universet har eksistert.

Mørk materie får klokker til å vise feil

En så høy presisjon gir fysikerne helt nye muligheter til å utforske universets mystiske mørke materie, som bare er observert via tyngdepåvirkning. Tyngdekraft og tid henger nemlig tett sammen fordi tiden går langsommere der tyngdekraften er større.

Når fysikere gjør målinger av galaksers rotasjon og sammenligner dem med målinger av hvor mye materie det er i galaksen, passer ikke de to tallene helt sammen. Regnestykket går bare opp hvis forskerne antar at det finnes materie i alle galakser som ikke kan observeres på annen måte enn ved den tyngdekraften den påvirker omgivelsene med.

Fysikerne har fortsatt ikke observert mørk materie i nærheten av jorden, men det kan de ultrapresise atomurene gjøre noe med.

Hvis den mørke materien går gjennom en klokke og interagerer med den, vil det nemlig kunne måles som en ganske liten feil i tidsmålingen. Jo svakere den mørke materien interagerer med omgivelsene sine, jo mindre vil den lille feilen være – og jo mer presise klokker krever det å registrere den.

En gruppe forskere fra flere universiteter og laboratorier i USA forsøker å måle den mørke materien på nettopp denne måten.

Forskerne har brukt GPS-satellitter til å måle den minimale tidsforskjellen som vil oppstå når mørk materie har passert en av satellittene, men fortsatt ikke har nådd fram til de andre. Men selv om satellittene er utstyrt med atomur, har de ikke vært presise nok til å avsløre den mørke materien.

Forskerne sier selv at framtidige målinger med et nettverk av ekstremt presise atomur i satellitter eller laboratorier på jorden vil kunne forbedre målingene. Så kanskje blir det det nye sammenfiltrede atomuret som avslører gåten om den mørke materien i universet.