ESA har i disse dager fått et kliss nytt atomur inn på test-laboratoriet som blant annet skal brukes til å undersøke grunnleggende fysiske lover.

Klokken heter Pharao, og skal skytes opp til den internasjonale romstasjonen i 2016, hvor den skal bli del av en ekstremt presis tidsmålingsstasjon i verdensrommet.

Denne tidsmålingsstasjonen kalles ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) og består av to atomur som er koblet sammen, hver med sine styrker.

– Man kan si at de utfyller hverandre, sier Harald Hauglin, fagansvarlig for tid og frekvens i Justervesenet til forskning.no.

Presisjon og stabilitet i skjønn forening

Når man snakker om klokker, skiller man mellom nøyaktighet og stabilitet, forteller Hauglin. Nøyaktighet handler om ekstrem nøyaktighet målt over lang tid, selv om klokketakten, eller “tikkene”, kan variere. Stabilitet handler om takten, og nøyaktige “tikk” fra sekund til sekund.

Pharao er en cesiumklokke som er ekstremt nøyaktig over lengre tid. Ifølge ESA skal den verken sakke eller forte seg mer enn et sekund i løpet av 300 millioner år.  Den andre klokken er en hydrogenmaser, og den er mye mer stabil over korte perioder enn Pharao.

– Hydrogenmaseren er ikke nøyaktig, men gir en mer stabil klokketakt enn Pharao i korte perioder opp mot en times tid, sier Hauglin.

For tidsspenn utover ett døgn vil derimot klokketakten til hydrogenmaseren systematisk og gradvis endre seg. 

Ved å korrigere hydrogenmaseren ved hjelp av Pharao skal disse klokkene sammen bli et veldig nøyaktig og stabilt referansepunkt for tidsmåling i verdensrommet.

ACES skal også kommunisere med andre atomur i USA, Japan, Australia og Europa for å gi svært presis tidsmåling.

Nå skal Pharao-klokken gjøres klar for oppskytning, hvor ESA-teknikerne forsikrer seg om at den kan takle oppskytningen om to år, og fortsatt holde på nøyaktigheten.

Hva skal vi med denne ekstreme presisjonen?

Den ekstreme presisjonen til disse klokkene tillater veldig nøyaktige eksperimenter for å teste relativitetsteorien.

Tid er nemlig en sleip måleenhet. Ifølge relativitetsteorien er ikke tiden absolutt, men relativ i forhold til forskjellige observatører. Dermed oppfører den seg rart, og er ikke særlig intuitiv.

Tid henger helt sammen med hastighet og tyngdekraft. Jo lengre man er fra et massivt objekt som jorden, dess raskere går tiden. Helt enkelt betyr det at en fjellklatrers klokke vil gå bittelitt raskere enn din klokke mens du står på bakken, og er nærmere et massivt objekt (Jorden).

Denne effekten har ingenting med klokkene å gjøre, men selve sammensetningen av det som kalles rom-tid gjør at tiden oppfører seg på denne måten. Klokkene er bare en illustrasjon.

Hvis dette er forvirrende, er det bare å bite tennene sammen. Hastighet har nemlig den motsatte effekten på tid. Hvis en klokke står stille, og en annen beveger seg i høy hastighet, vil klokken som beveger seg gå saktere enn den stillestående klokken.

Se for deg at du står stille på en perrong, og et hurtigtog raste forbi i millioner av kilometer i timen. Hvis du på en eller annen måte kunne se på en klokke inne i dette toget, ville klokken gå merkbart saktere enn din egen på perrongen.

Men siden tiden er relativ, ville man ikke merket noe til denne effekten hvis man selv var passasjer på toget.

Uansett hvor rart dette høres ut, er det høyst reelt. Relativistiske effekter er der hele tiden, man trenger bare veldig nøyaktige instrumenter for å kunne måle dem.

GPS og relativitet

Selv om de er små, vet man at effektene er reelle, både gjennom eksperimenter og erfaringer fra det virkelige liv.

For eksempel GPS-satellitter er avhengig av nøyaktig tidsmåling for å kunne gi nøyaktige posisjonsdata.

– Klokkene i GPS-satellittene blir korrigert for relativistiske effekter allerede når de produseres, og uten disse korreksjonene ville ikke GPS virket,  sier Hauglin. 

– Klokkene i satellittene må i tillegg korrigeres en til to ganger per dag for å holdes synkronisert. Uten oppdaterte klokkekorreksjoner vil brukere av GPS i løpet av kort tid merke at nøyaktigheten blir dårligere.

Dette skjer på grunn av GPS-satellittenes hastighet og avstand fra jordens masse, og tiden vil rett og slett gå bittelitt raskere hos satellittene i forhold til en observatør nede på jorden. 38 mikrosekunder hver dag, for å være nøyaktig.

Atomur i fly

Disse relativistiske effektene ble også målt i det svært berømte Hafele-Keating-eksperimentet i 1971, hvor flere atomklokker ble synkronisert og flydd rundt jorden på jetfly. Noen synkroniserte klokker ble igjen på bakken. Etter at flyturene var over, ble klokkene sammenlignet. 

Resultatene viste at de ikke lengre var synkroniserte, og ”tiden” hadde endret seg slik relativitetsteorien forutsa.

– Atomklokkene i flyene var langt mindre nøyaktige og stabile enn klokkene som nå skal brukes i ACES, som tillater mye mer nøyaktige målinger og tester av fundamentale fysiske lover.

Det kan også være at disse ekstremt nøyaktige målingene plukker opp variasjoner i rom-tiden som man ennå ikke forstår.

– Jeg er litt konservativ, og tror vi først og fremst vil få en bekreftelse på at relativitetsteorien stemmer med mer nøyaktige målinger.

Men som på LHC ved CERN kan man ikke være sikker på hva som skjer når eksperimentet starter.

– Men man kan jo håpe på at man får et avvik som man ikke forstår, og som kan si noe nytt om hvordan naturen fundamentalt er bygget opp, sier Hauglin.

Referanse: 

ESA

Hafele-Keating Experiment