De fleste ure, som folk bruger til at se tiden, er præcise med en nøjagtighed på 10 eller 15 sekunder hver måned. Fancy mekaniske ure (som f.eks. et Rolex) vil afvige med mere – et sekund eller to hver dag. Forskere har brug for noget meget mere præcist og nøjagtigt, fordi de fænomener, de måler, ofte kun varer milliardtedele af et sekund.
Det er her, atomuret kommer ind i billedet. Den første nøjagtige udgave blev bygget i 1955. Atomure holder tiden ved at måle atomernes svingninger, når de skifter energitilstand. Hvert grundstof har en karakteristisk frekvens eller et sæt af frekvenser, og da et atom “slår” milliarder af gange i sekundet, er sådanne ure meget præcise. På National Institute of Standards and Technology er det “officielle” sekund 9.192.631.770 cyklusser af et cæsiumatom. (Kvarts i et ur svinger ca. 32.000 gange i sekundet, hvilket er ca. 290.000 gange langsommere end cæsiumatomer.)
Videnskabsfolk taler om atomure i termer af stabilitet og præcision. For et atomur er præcisionen det, hvor godt det måler atomernes vibrationer. Ved at sammenligne to ure kan forskerne måle usikkerheden ved aflæsning af denne frekvens – hvor præcist et ur er. Stabilitet er, hvor meget urets tikke varierer over et givet tidsrum. Ved at beregne gennemsnittet af et stort antal tikke, f.eks. 100.000, får man et tal, der kan måles i forhold til den faktiske tid, som uret holder. Forskere henviser normalt til præcision, når de siger, at et ur er så nøjagtigt, at det vil vinde eller miste et sekund i løbet af millioner af år. Når de taler om nøjagtighed, henviser forskerne typisk til, hvor godt et ur passer til en given standardreference, så i den forstand er det mest nøjagtige ur altid det ur, som de sætter standardsekundet med.
Tom O’Brian, chef for NIST’s Time & Frequency division, bemærkede flere typer atomure: Den, der bruges til at bestemme standardsekundet, er baseret på cæsiumatomer, men andre typer bruger strontium, aluminium eller kviksølv. Nogle bruger brint. For at opnå en endnu bedre præcision, superkøler de nyeste atomure atomerne i dem for at eliminere eventuelle forstyrrelser fra den omgivende varme.
Den største køber af atomure, telekommunikationsindustrien, anvender dem til at synkronisere fiberoptiske switche og mobiltelefontårne, sagde O’Brian. Atomure bruges også i GPS-systemet til nøjagtigt at måle timingen af signaler og til at rapportere ens position i forhold til satellitterne.
Der er nogle af de mest nøjagtige ure, der nogensinde er bygget, men O’Brian bemærkede, at teknologien forbedres hele tiden, og forskerne forsøger at lave stadig mere præcise målinger af tiden.
1. NIST F2
Dette ur, der først blev sat i drift i 2014, er sammen med sin forgænger, NIST F1, med til at bestemme det standardsekund, der bruges af forskere over hele verden. NIST F2 synkroniserer også telekommunikation og endda handel på de finansielle markeder med hensyn til den officielle tid på dagen. Uret bruger et sæt af seks lasere til at afkøle atomerne (ca. 10 millioner af dem), mens et andet par lasere forsigtigt løfter atomerne opad i et kammer, der er fyldt med mikrobølgestråling. NIST bruger frekvensen af den stråling, der ændrer tilstanden af de fleste atomer, til at definere sekunder.NIST’s nøjagtighed skyldes bl.a., at uret fungerer ved minus 193 grader Celsius (minus 316 grader Fahrenheit); de kolde forhold hjælper med at beskytte cæsiumatomerne mod omstrejfende varme, der kunne ændre målingerne af atomernes svingninger. Dette ur vil vinde eller miste et sekund ca. en gang hvert 300 millioner år.
2. University of Tokyo/ RIKEN
Dette optiske atomur er bygget af et hold under ledelse af Hidetoshi Katori og er et optisk gitteratomur. Det bruger atomer af strontium, der er fanget mellem laserstråler og afkølet til minus 292 F (minus 180 C). Optiske gitterure måler svingningerne af ensembler af indfangede atomer og kan derfor udligne eventuelle fejl. Dens usikkerhed, som blev rapporteret i tidsskriftet Nature Photonics den 9. februar, er 7,2 x 10^-18, hvilket svarer til ca. et sekund hvert 4,4 milliarder år; forskerne sagde, at de var i stand til at køre to ure af samme type for at få denne usikkerhed ned til 2.0 x 10^-18, eller ca. et sekund hvert 16. milliard år.
3. NIST / JILA strontiumuret
NIST og JILA, et fælles institut ved University of Colorado, Boulder, byggede et strontiumgitterur, der opnåede en præcision på 1 sekund hvert 5. milliard år. Holdet, der blev ledet af fysiker Jun Ye, offentliggjorde deres arbejde i 2014 og dobbelttjekkede resultaterne ved at sammenligne deres ur med et andet, der ligner det. O’Brian sagde, at NIST planlægger endnu et ureksperiment for at skubbe det endnu længere og overgå stabiliteten af det ur, der er bygget af Katoris hold i Japan. Uret fungerer ved at fange strontiumatomer med lasere i en slags pandekageformet rum. Et rødt laserlys, der er indstillet til en bestemt frekvens, får atomerne til at hoppe mellem energiniveauer, og disse spring er “tikkene” – ca. 430 billioner hvert sekund.
4. Det kvantelogiske ur i aluminium
NIST bruger ikke kun atomer af strontium og cæsium. I 2010 byggede NIST et atomur, der brugte et atom af aluminium, med en præcision på et sekund pr. 3,7 milliarder år. Dette bruger et enkelt atom af aluminium fanget i magnetiske felter sammen med et enkelt atom af beryllium. Lasere køler de to atomer ned til næsten det absolutte nulpunkt. En anden laser er indstillet til den frekvens, der får aluminium til at ændre tilstand. Men aluminiums tilstande er svære at måle nøjagtigt, så aluminiumet kobles til berylliumatomet. Dette er en lignende proces som den, der anvendes i kvantecomputeropsætninger.
5. Det mekaniske Shortt-Synchronome-ur
Atomure får al æren, men O’Brian sagde, at før de kom frem, måtte forskerne stadig bruge mekaniske ure – og nogle af dem var ret præcise. Shortt-uret, der blev opfundet i 1921, var et videnskabeligt standardinstrument i observatorier, indtil atomurene erstattede det. Uret var faktisk et dobbeltsystem, der bestod af et pendul i en vakuumtank, der var forbundet med elektriske ledninger. Det sekundære ur sendte hvert 30. sekund en elektrisk impuls til det primære ur for at sikre, at de to ure var synkroniserede, og pendulet i vakuumet var lavet af en nikkel- og jernlegering for at reducere enhver termisk ekspansion, som ville ændre pendulets længde og dermed dets svingning. Uret er så nøjagtigt, at pendulerne kan bruges til at måle gravitationseffekter fra solen og månen, og det var dette instrument, der viste, at Jordens rotation faktisk ikke var ensartet. Test på U.S. Naval Observatory i 1980’erne viste, at uret havde en nøjagtighed på 1 sekund på ca. 12 år.
Sidste nyt