Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Ultrapresis atomklokke skal måle jordas masse

Atomklokker er de mest presise instrumentene forskere noen gang har bygget, og nå skal de måle mer enn tid. To nye atomklokker er så nøyaktige at de kan måle jordas sammensetning og lete etter mørk materie i universet.

Burrus/NIST

Ta en liten kikk på en sekund­viser. Mens den tikker taktfast og ufortrødent av gårde, vil bitte små feil i mekanikken og variasjoner i temperaturen endre hvor lang tid den bruker på å måle et sekund.

Endringen er umerkelig for oss, men for verdens mest presise måleinstrumenter – atomklokkene – er det en verden i forskjell.

Nå har fysikere på det amerikanske måleinstituttet National Institute of Standards and Technology (NIST) bygget de to mest fintfølende atomklokkene noen gang.

Klokkene måler tiden så presist at selv små endringer i gravitasjonsfeltet, som forlenger eller forkorter tidens hastighet forsvinnende lite, blir fanget opp.

Nå vil forskerne blant annet sette klokkene til å måle hvor rund jorda er.

Atomer styrer klokker

Alle klokker måler tiden med en mekanisme som skaper svingninger som varer like lang tid – en pendel som svinger taktfast fram og tilbake, eller en krystall som vibrerer når det passerer strøm gjennom den.

Jo høyere frekvensen i svingningene er, jo mer presist kan klokken måle tiden.

I atomklokker teller en datamaskin antallet svingninger sendt ut av en laser. For å sikre at laseren alltid sender ut den samme frekvensen, plasserer fysikerne nøye utvalgte atomer av samme type i laserens skuddlinje.

Alle atomer har et bestemt antall elekt­roner rundt kjernen.

Når de beskytes med elektromagnetisk stråling – som for eksempel lys – med en spesifikk frekvens, vil noen av elektronene flytte seg fra én bane til en annen. Når de flytter seg, kan fysikerne måle at atomet er i en høyere energitilstand.

Men elektronene hopper bare hvis de blir truffet av lys med den helt riktige frekvensen.

Ytterbium gjør atomur billioner ganger så presise

De nye atomklokkene på NIST bruker atomet ytterbium, der frekvensen for energiovergangen er helt nøyaktig 518 295 836 590 863,6 svingninger per sekund.

Atomklokken er altså 518 billioner ganger mer presis enn et armbåndsur som bare tikker én gang i sekundet.

I motsetning til mekaniske klokker, som er sårbare overfor produksjonsfeil, eller krystaller som utvider seg når temperaturen stiger, vil atomer alltid ha den samme frekvensen uansett forholdene i det lokale miljøet.

Atomuret tikker billioner av ganger hvert sekund

I et atomur fungerer en laser – med en veldig nøyaktig bølgelengde – som pendelen, mens fastfrosne atomer sørger for å korrigere selv det minste avvik i laserens svingninger.

Dermed er atomuret selvjusterende, og med ytterbium­atomer har forskerne nå gjort presisjonen på klokkene mange ganger høyere.

N. Phillips/NIST

Frekvens avgjør tiden

En laser sender ut lys ved en frekvens på 518 billioner svingninger per sekund.

En forsterker ensretter og forsterker lyset. Antallet svingninger laseren sender ut, telles og omregnes i sekunder, minutter og timer.

Claus Lunau/Oliver Larsen

Atomer går i fella

1000 atomer fanges av lasere, senker temperaturen ned mot det absolutte nullpunktet, der de står helt stille. Magneter holder atomene på plass.

Claus Lunau/Oliver Larsen

Laseren fintunes

En sensor fanger opp energiskiftet i atomene.

Claus Lunau/Oliver Larsen

Laseren fintunes

Hvis ikke skiftene skjer som ventet, er frekvensen en anelse feil, og en korreksjon sendes tilbake.

Claus Lunau/Oliver Larsen

Atomklokke gjør GPS mer presis

De mest pålitelige atomklokkene har så langt vært basert på atomet cesium 133, som skifter energi­tilstand 9 192 631 770 ganger per sekund, og derfor er dette tallet i dag selve definisjonen på et sekund.

Definisjonen av tid er dermed mye mer presis enn forskernes definisjoner av vekt og avstand. Atomklokker er derfor ikke bare de mest presise klokkene vi har, men de mest presise måleinstrumentene i det hele tatt.

Uten atomklokkene ville ikke forskere kunne måle over lange avstander og bestemme massen til store himmellegemer med samme presisjon som vi kan i dag.

Alle GPS-satellitter inneholder for eksempel atomklokker. Når en mobiltelefon ber GPS-nettverket om en plassering på jorda, svarer fire satellitter med sin posisjon over jorda og en nøyaktig tidsangivelse for når signalet sendes fra satellittene.

Mobiltelefonen regner ut avstanden til hver av satellittene ved å gange reisetiden for signalene med lysets hastighet, som er den farten signalene reiser med – vel 300 millioner meter i sekundet.

Derfor ville et avvik i klokkene på bare en milliondel av et sekund føre til en feilberegning på omkring 300 meter.

Radioaktivt atom bestemmer lengden på et sekund

Presisjonen til et urverk avgjøres av hvor små brøkdeler av et sekund det kan måle.

Atomklokker måler sekunder i milliarddeler ved å telle antallet svingninger i en laser med en veldig presis frekvens.

For å sikre at frekvensen er konstant, bruker fysikerne atomer til å justere laseren.

Klokker kartlegger jordas tyngdefelt

Selv om de utbredte cesium-atomklokkene er pålitelige, er de to nye ytterbium-klokkene hos NIST – Yb-1 og Yb-2 – over 50 000 ganger mer presise. Faktisk er klokkene så følsomme at målingene forstyrres av selv små forskjeller i jordas gravitasjonsfelt.

Sammenhengen mellom tyngdekraften fra jorda og den tiden klokkene måler, er bestemt ut fra relativitetsteorien, som Albert Einstein utviklet for vel 100 år siden. Ifølge teorien går tiden langsommere når tyngdekraften er stor.

Men selv om følsomheten gir forskerne en lang rekke nye feilkilder å ta høyde for, har de funnet ut at de kan utnytte dette fenomenet.

Jorda er ikke en perfekt kule. Fra høye fjell til dype daler varierer høyden av overflaten og dermed også styrken av tyngdekraften. Styrken er nemlig blant annet bestemt av avstanden til jordas sentrum. Tyngdekraften på et høyt fjell er litt mindre enn ved foten av fjellet.

Styrken på kraften er også styrt av hvor høy tettheten i materialet i bakken er. Jo høyere tetthet et materiale har, jo mer tyngdekraft vil det være i området.

Forskjellene er altfor små til å kunne merkes av mennesker, men det kan tydelig leses av på de presise klokkene.

I en artikkel utgitt i tidsskriftet Nature foreslår forskerne bak Yb-1 og Yb-2 derfor å plassere ytterbium-klokker over hele verden. Forskjellen på den tiden urene måler, kan oversettes i forskjeller i jordas tyngdekraft.

Med data fra hele kloden kan geologer på den måten for eksempel beregne den lokale tettheten av undergrunnen og på den måten finne sjeldne mineraler eller kostbare jordmetaller uten å måtte grave.

Skal jakte på gravitasjonsbølger

Det var ingen fysikere som hadde spådd hvilken rolle atomklokker i dag spiller i moderne navigasjon da den første atomklokken ble bygget. Det er heller ikke godt å si hva de nye, mer presise klokkene vil bli brukt til om 50 år.

En mulighet forskerne selv peker på, er at de kan settes til å etterligne et av de størs­te eksperimentene i moderne fysikk.

I 2017 vant forskere bak LIGO-eksperimentet nobelprisen for å ha påvist og målt eksistensen av gravitasjonsbølger. Det er bølger i romtiden som dannes når to veldig tunge himmellegemer – som for eksempel svarte hull – støter sammen et sted i universet.

Gravitasjonsbølgedetektorer er gigantiske instrumenter som strekker seg over flere kilometer for å kunne fange opp en endring av formen med noen få nanometer når gravitasjonsbølgene ruller gjennom planeten.

I stedet for å måle hvordan rommet vrir seg, kan atomklokkene måle hvordan tiden vrir seg på grunn av gravitasjonsbølgene.

Klokkene er billigere i drift, slik at Yb-1 og Yb-2 kan gi forskerne flere målinger av gravitasjonsbølgene, som ofte inneholder unike data om universet.

På sporet av mørk materie

En annen bruksmulighet for klokkene er å jakte på mørk materie. Fysikernes beste modell til å beskrive de minste byggesteinene i universet – den såkalte standardmodellen – kan bare gjøre rede for en brøkdel av det stoffet forskere kan observere i universet.

Beregninger har vist at 85 prosent av massen i verdensrommet består av materie som er usynlig for teleskopene – såkalt mørk materie.

Forskerne har aldri funnet noe av dette stoffet, men de vet at det påvirker gravitasjonsfeltet omkring seg. Kanskje blir det Yb-1 og Yb-2 som setter forskerne på sporet av den mørke materien.

Les også:

Stjerner

Forskere løser gåte om mørk materie

1 minutt
Stjerner

Mørk materie funnet i Melkeveien

1 minutt
Teknologi

Vitenskapens aller største ønsker for 2020-tallet

10 minutter

Logg inn

Ugyldig e-postadresse
Passord er påkrevd
Vis Skjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klikk her

Ny bruker? Få adgang nå!

Nullstill passord

passowrd_reset.form.email_help
Ugyldig e-postadresse

Skriv inn passord

Vi har sendt en e-post til med en kode
Feil: Skriv inn kode

Nytt passord

Passord er påkrevd
Vis Skjul