Tidsfontenen

En fontene av cesiumatomer gir verdens mest nøyaktige klokke. Men hvor presis kan egentlig tiden bli, hvis selv naturlovene forandrer seg – over tid?

Klokka NPL-CsF2 som står i National Physical Laboratory i Teddington, Storbritannia. Hele apparatet er omtrent 2,5 meter høyt. Atomene kastes en meter opp, omtrent 30 cm over hulrommet som befinner seg inne i en vakuumbeholder. Den store ytre sylinderen beskytter atomene inne i klokken fra det relativt store og ustabile magnetfeltet. (Foto: National Physical Laboratory, United Kingdom)
Klokka NPL-CsF2 som står i National Physical Laboratory i Teddington, Storbritannia. Hele apparatet er omtrent 2,5 meter høyt. Atomene kastes en meter opp, omtrent 30 cm over hulrommet som befinner seg inne i en vakuumbeholder. Den store ytre sylinderen beskytter atomene inne i klokken fra det relativt store og ustabile magnetfeltet. (Foto: National Physical Laboratory, United Kingdom)

GPS: Fra tid til sted

GPS-satellittene sender ut et signal som forteller om når signalet ble sendt ut, hvor satellitten er og hvilken bane den har.

Radiosignalet går med lysets hastighet fra satellitten til mottakeren, men bruker likevel noen brøkdeler av et sekund på veien.

Hvis mottakeren har nøyaktig tid, kan den måle hvor forsinket tidssignalet er, og regne ut avstandene til satellittene.

Denne nøyaktige tiden får GPS-mottakeren også fra satellittene.

Avstanden og posisjonen til minst tre satellitter gir en mangekant. Med geometri kan GPS-mottakeren regne ut sin egen posisjon.

Verdens mest nøyaktige klokke er ikke en Rolex. Du kan ikke løfte den nonchalant og statusbevisst; la gullet gløde og diamantene gnistre i tallskiven.

Men verdens mest nøyaktige klokke har sin egen glød.

Denne klokka koster langt mer enn det dyreste armbåndsur. Og nøyaktigheten er kvantesprang hinsides: litt under ett sekunds avvik på hundre millioner år.

Atomfontene

Gløden kommer her fra grunnstoffet cesium. Det er et sølvblankt metallisk stoff.

Men i den britiske atomklokka som nå er kåret til verdens mest nøyaktige, spruter cesiumatomene opp i en fontene. Og de gløder med stråler som øyet ikke kan se, men instrumenter kan registrere.

Strålene er korte radiobølger. De kalles mikrobølger.

Og disse mikrobølgene svinger svært nøyaktig, som en usynlig pendel. Derfor kan de brukes til å måle tiden.

- Ett sekund er definert som 9 192 631 770 svingninger av radiobølgene fra cesiumatomet, forteller Harald Hauglin. Han er fagansvarlig for tid og frekvens i Justervesenet på Kjeller utenfor Oslo.

Tid gir sted i GPS

Justervesenet har tre cesiumklokker gående til enhver tid. De korrigerer hverandre, og viser riktig tid. Ikke så riktig som den britiske, riktignok, men riktig nok til å sette standard for norsk tid.

- I dagliglivet kommer de største kravene til nøyaktig tid fra GPS-mottakerne i mobiler, nettbrett og andre navigasjonsenheter, sier Hauglin. (Se faktaboks)

- Andre brukere av presis tid er moderne telenett. Datatrafikken krever at signalene sendes i samme takt, forklarer Hauglin.

- Det tillates ikke mye slinger før det blir kork i datatrafikken, fortsetter han.

Spår tiden

Den nøyaktige klokken virker altså som en metronom, som holder takten. Og den samme ordstammen har gitt vitenskapen om målinger et navn som er lett å forveksle: metrologi.

Slik som meteorologene på Blindern spår været, slik spår metrologene på Kjeller tiden. Men spådommene om tiden er betydelig sikrere enn for været.

- Vi justerer klokkene utfra et forventet avvik, basert på rapporter fra det internasjonale byrået for mål og vekt i Paris, BIPM, forklarer Hauglin.

- Rapporten kommer en gang i måneden, og forteller oss hvor stort avviket var mellom våre klokker og den internasjonale tidsskalaen Universal Time Coordinated (UTC).

- Ut fra dette avviket kan vi gjette svært sikkert hvordan avviket vil utvikle seg videre, og justere tiden etter det, sier Hauglin.

Klokker over hele verden

Men hvordan blir så fasiten UTC laget? Hauglin kan fortelle om et stort internasjonalt samarbeid.

Harald Hauglin (Foto: Justervesenet)
Harald Hauglin (Foto: Justervesenet)

- Hver måned får BIPM rapporter fra 350 atomklokker rundt i verden. De fleste av disse sammenligner tiden daglig mot tidssignalene fra GPS-satellittene.

- Disse tidssignalene er svært nøyaktige, og regnes ut med mange atomklokker på US Naval Observatory, sier Hauglin.

Tysk presisjon

Ikke overraskende spiller det tyske justervesenet PTB en viktig rolle i denne klokkenes presisjonsdans.

Hauglin kan fortelle at de fungerer som et nav i denne kontinuerlige overvåkingen.

- Så lenge vi og tyskerne sammenligner våre klokker samtidig mot de samme GPS-satellittene, vil vi også direkte kunne finne avviket mellom våre klokker og de tyske, forteller han.

- Regelmessig sammenlignes også verdens atomklokker mot enda mer nøyaktige atomklokker, såkalte primære frekvensnormaler.

- UTC korrigeres så ut fra gjennomsnittstakten fra disse superklokkene, forteller han.

Suprest blant de supre

Superklokkene befinner seg i flere land, blant annet Frankrike, USA og Japan. Og altså i Storbritannia, som nå har den aller mest nøyaktige klokken.

Nøyaktigheten i den britiske superklokken er sikret takket være en matematisk modell som er utviklet ved Penn State University i USA, basert på målinger fra det britiske National Physical Laboratory.

Modellen beregner de ørsmå feilene som tross alt finnes i disse superklokkene.

Atomklokken FOCS-1 fra Sveits, en annen tidligere verdensrekordholder i presisjon. (Foto: METAS)
Atomklokken FOCS-1 fra Sveits, en annen tidligere verdensrekordholder i presisjon. (Foto: METAS)

Farten endrer takten

En av de viktigste av disse feilene kommer av den farten som cesiumatomene har når de sprøytes inn i kammeret der mikrobølgene måles.

Når en bølge endrer fart, vil svingetakten også endre seg litt. Dette kalles Dopplereffekten, og er den samme som får en sirenen til å høres lysere ut når sykebilen kommer mot deg enn når den har passert og kjører fra deg.

I cesiumklokkene som Justervesenet bruker, gir slike avvik en feil på rundt ett sekund etter 300 000 år. Her sprøytes cesiumgassen inn i kammeret med en fart på noen hundre meter i sekundet.

I superklokkene er farten til atomene mye lavere. Det kommer delvis av at de er kjølt ned til nesten det absolutte nullpunkt. Da beveger atomene seg nesten ikke.

Atomfontenen bidrar også. Den lages ved at den kalde skyen belyses med en laserstråle. Laserstrålen kaster de kalde atomene oppover med en fart på bare noen meter i sekundet.

Atomene blir så bremset opp av tyngdekraften, og detter ned igjen i fontenen.

I den britiske testvinneren blir dessuten de gjenværende avvikene korrigert enda bedre ved hjelp av den nye matematiske modellen.

Hauglin drysser likevel litt malurt i det britiske seiersbegeret.

- Britenes krav om verdensmestertittelen er ene og alene basert på deres egne beregninger av usikkerheten i de nye klokkekorreksjonene, sier han.

- Den virkelige testen vil komme ved at britenes superklokke sammenlignes mot en, eller helst flere, andre superklokker med omtrent samme nøyaktighet, understreker han.

Og slike sammenligninger er ikke enkle å gjennomføre.

Presisjon møter Einstein

Strontium-atomklokke med blå laser (Foto: Sebastian Blatt, JILA, University of Colorado Permission)
Strontium-atomklokke med blå laser (Foto: Sebastian Blatt, JILA, University of Colorado Permission)

- Når klokkene blir nøyaktige nok, begynner virkningene av relativitetsteorien å gjøre seg gjeldende, sier Hauglin.

- Det er derfor kilent å skulle sammenligne britenes superklokke med amerikanernes for å avgjøre hvor godt de stemmer overens.

- Det amerikanske justervesenet NIST holder til i Boulder i Colorado, 1655 meter over havet. I denne høyden er tyngdefeltet fra jorda litt mindre enn ved havoverflaten.

- Forskjellen i tyngdefeltet mellom lavlandet i England og høysletta i Colorado vil gjøre at selv perfekte klokker vil tikke med et avvik som tilsvarer ett sekund i løpet av 300 000 år, sier Hauglin.

Optiske atomklokker

Hauglin forteller også at neste generasjon optiske atomklokker vil bli enda mer nøyaktige. De vil bruke svingninger fra lys istedenfor mikrobølger.

- Først i nyere tid har det blitt mulig å måle de høyere svingetakter fra lysbølger så nøyaktig at man kan nyttegjøre seg den økte presisjonen, forteller Hauglin.

Slike optiske klokker jobbes det intenst med å lage. NIST hadde i fjor bygget to slike identiske optiske klokker.

Som et eksempel på hvor presise disse målingene er, forteller han at en av de optiske klokkene ble jekket opp en halv meter. Endringen i tyngdefeltet som det medførte, kunne registreres på svingetakten!

Tiden går, tiden endres

Vil vi så noensinne passere målstreken i dette presisjonskappløpet på idealtid? Finnes det en endelig fasit?

I siste instans vil presisjonen begynne å duve på dønningene av selve de såkalte naturkonstantene. Flere fysikere hevder nemlig at disse slett ikke er konstante, men endrer seg etter hvert som tiden skrider frem.

Det betyr at når tiden går, så endres tiden selv, sammen med naturlovene.

- Vi metrologer ønsker å knytte flest mulige fysiske størrelser til fundamentale konstanter. Men hva om disse konstantene bøyer unna, som gummi? Vi vet ikke hvor naturkonstantene kommer fra, avslutter Harald Hauglin fra Justervesenet.

Lenker/referanse:

Ruoxin Li, Kurt Gibble and Krzysztof Szymaniec: Improved accuracy of the NPL-CsF2 primary frequency standard: evaluation of distributed cavity phase and microwave lensing frequency shifts, Metrologia, Volume 48, Number 5

Nyhetsmelding om den britiske atomklokken på nettstedet Physorg.com

Om tid og frekvens på Justervesenets nettsider

Bureau International des Poids et Mesures, BIPM
 

Powered by Labrador CMS