Et sekund er alltid et sekund. Likevel er ingen klokker helt perfekte.

Selv de mest presise atomurene måler 0,000000000000000001 sekund feil per sekund. Det tilsvarer et avvik på ett sekund feil på noen milliarder år.

Det høres jo ikke farlig ut.

Likevel ønsker danske forskere seg en enda mer presis klokke. Det kan nemlig føre til teknologiske landevinninger og revolusjonerende vitenskapelige oppdagelser.

Derfor foreslår forskerne at man kobler atomene i atomur rundt i hele verden sammen med lysstråler – til et stort nettverk.

Nettverket vil kunne måle tiden mer presist enn noen gang tidligere.

– Det vil gi nye, interessante muligheter å ha en mer presis klokke. Derfor har vi laget en skisse for en klokke med en helt utrolig presisjon, forteller Anders Søndberg Sørensen, som er professor ved Niels Bohr Institutet i Danmark.

Forslaget er offentliggjort i det vitenskapelige tidsskriftet Nature Physics.

Presise klokker skapte GPS

Forskere har alltid vært interessert i mer presise klokker.

Det vil bety mer presise forsøk, noe som igjen fører til nye teknologiske muligheter.

GPS ble for eksempel først mulig da det ble funnet opp en klokke som var presis nok til å måle hvor lang tid et signal brukte fra en GPS-avsender på jorden til satellitter i rommet.

Forskerne håper at en mer presis klokke vil lede til nye  vitenskapelige oppdagelser.

Blant annet foregår det en debatt i forskerkretser om hvorvidt naturkonstanter i det hele tatt er konstante. Er Plancks konstant, som spiller en sentral rolle i kvantemekanikken, den samme i dag som den var i går?

– Slike spørsmål vil man kunne besvare med en mer presis klokke, og det vil være et enormt vitenskapelig gjennombrudd. Jeg kan selvfølgelig ikke spå hvilke teknologiske muligheter som åpner seg, men de vil komme, sier Sørensen.

Langt inn i framtiden

Michael Drewsen er professor i fysikk ved Aarhus Universitet. 

– Dette er enormt spennende. Det er et nytt konsept som kan gi oss mye mer presise klokker enn vi har i dag. Det ligger imidlertid fortsatt langt inn i fremtiden, men studien er et steg på veien, kommenterer Drewsen.

Han tror også at prosjektet vil gjøre det mulig å teste underliggende fysiske teorier og undersøke om forskjellige naturkonstanter virkelig er konstante.

– Det dreier seg ikke bare om å lage mer følsomme klokker. Det er et redskap som er følsomt overfor en rekke fysiske effekter. Vi kan for eksempel måle forskjeller i tyngdekraften på objekter som er skilt med få centimeter, og teste hvor godt relativitetsteorien stemmer. Da må vi ha et instrument som er presist nok. Det kan vi kanskje få på denne måten, sier Drewsen.

Klokker består av to deler

Alle klokker består i grunnen av to deler: Noe som beveger seg med en ensartet frekvens, og noe som leser av den bevegelige delen og omsetter det til tid

I et pendelur er det pendelen som beveger seg med en ensartet frekvens. Svingningene blir senere omsatt i sekunder, minutter og timer.

Prinsippet er det samme i et atomur.

Her er det frekvensen av elektronenes bevegelse rundt atomkjernen som er den bevegelige delen. Denne frekvensen må leses av og omsettes i sekunder, minutter og timer.

Frekvensen på pendelen varierer litt, mens svingningene i atomer er helt like hver gang, noe som gir uhyre presise klokker.

Likevel er det ikke mulig å få laget en helt presis klokke.

Anders Søndberg Sørensen forklarer:

– Problemet oppstår når vi skal lese av atomene. Det kommer en liten usikkerhet i målingene som gjør at vi mister et sekund over milliarder av år, sier han.

Flere atomer i samme klokke

For å gjøre atomurene mer presise arbeider forskere for å koble sammen flere atomer i et nettverk. De vil så å si filtre sammen atomene i det som på fagspråk kalles «entanglement». Dermed vil usikkerheten bli mindre.

Mange steder i verden arbeider forskere med å sammenfiltre atomer i enkelte klokker. Det er imidlertid en teknisk utfordring som kan ta flere år å løse.

Når forskere en gang får løst problemene med sammenfiltring, foreslår forskerne med den nye studien at man går skrittet videre og sammenfiltrer atomene på tvers av land.

Ifølge teorien er det mulig å gjøre dette via lysstråler som sender informasjon med enkeltfotoner fra den ene klokken til den andre.

Dermed kan det skapes en fysisk sammenfiltring mellom to atomur som står på hvert sitt kontinent.

– Det er et futuristisk og spekulativt forslag, men artikkelen vår inneholder en skisse til hvordan det er mulig, sier Sørensen.

Store utfordringer

Sørensen forteller også at det er mange tekniske utfordringer som må løses før prosjektet kan bli virkelighet.

For det første oppgaven med å sammenfiltre atomer i det enkelte atomuret.

Deretter må man sende informasjon via et enkelt foton – det arbeider forskere i hele verden allerede med for kryptering.

Faktisk ville det være mye lettere hvis alle land brukte forskningsbudsjettene sine til å bygge atomur i samme land. Da ville det ikke blir nødvendig å sammenfiltre atomer på tvers av kontinenter.

– Det ville jo være den letteste løsningen, men det er kanskje ikke mulig av politiske grunner. Man kan si at vi kommer med en veldig vanskelig teknisk løsning på et politisk problem, sier Sørensen.

Han håper på at en mer presis klokke kan være en mulighet om 20 år, men han vedgår at det kan ta 100. Det er heller ikke sikkert det i det hele tatt er mulig.

Referanse:

A quantum network of clocks, Nature Physics (2014), DOI: 10.1038/nphys3000

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.