De flesta klockor som människor använder för att se tiden är exakta med en noggrannhet på 10 eller 15 sekunder varje månad. Fina mekaniska klockor (som en Rolex) avviker med mer – en eller två sekunder varje dag. Forskare behöver något som är mycket mer exakt och exakt, eftersom de fenomen som de mäter ofta varar bara miljarddelar av en sekund.
Det är där atomklockan kommer in i bilden. Den första exakta versionen byggdes 1955. Atomklockor håller tiden genom att mäta atomernas svängningar när de byter energitillstånd. Varje element har en karakteristisk frekvens eller en uppsättning frekvenser, och eftersom atomen ”slår” miljarder gånger per sekund är sådana klockor mycket exakta. Vid National Institute of Standards and Technology är den ”officiella” sekunden 9 192 631 770 cykler för en cesiumatom. (Kvartsen i en klocka oscillerar cirka 32 000 gånger per sekund, cirka 290 000 gånger långsammare än cesiumatomer.)
Vetenskapsmän talar om atomklockor i termer av stabilitet och precision. För en atomklocka är precisionen hur väl den mäter atomernas vibrationer. Genom att jämföra två klockor kan forskare mäta osäkerheten i avläsningen av den frekvensen – hur exakt en klocka är. Stabilitet är hur mycket klockans tickar varierar under en viss tid. Genomsnittet av ett stort antal tickningar, låt oss säga 100 000 stycken, och du får ett tal som kan mätas mot den faktiska tiden som klockan håller. Forskare brukar hänvisa till precision när de säger att en klocka är så exakt att den kommer att vinna eller förlora en sekund under miljontals år. När de talar om noggrannhet hänvisar forskarna vanligtvis till hur väl en klocka matchar en given standardreferens, så i den meningen är den mest exakta klockan alltid den som de ställer in standardsekunden med.
Tom O’Brian, chef för NIST:s tids & frekvensavdelning, nämnde flera typer av atomklockor: Den som används för att bestämma standardsekunden är baserad på cesiumatomer, men andra typer använder strontium, aluminium eller kvicksilver. Vissa använder väte. För att få ännu bättre precision superkyler de senaste atomklockorna atomerna i dem för att eliminera eventuella störningar från omgivande värme.
Den största köparen av atomklockor, telekommunikationsindustrin, använder dem för att synkronisera fiberoptiska växlar och mobiltelefontorn, sade O’Brian. Atomklockor används också i GPS-systemet för att exakt mäta tidpunkten för signaler och för att rapportera ens position i förhållande till satelliterna.
Här är några av de mest exakta klockor som någonsin byggts, men O’Brian noterade att tekniken förbättras hela tiden och att forskarna försöker skapa allt mer exakta tidsmätningar.
1. NIST F2
Denna klocka, som först togs i drift 2014, bidrar tillsammans med sin föregångare, NIST F1, till att bestämma den standardsekund som används av forskare över hela världen. NIST F2 synkroniserar också telekommunikationer och till och med handel på finansmarknaderna för den officiella tiden på dagen. Klockan använder sex lasrar för att kyla atomerna (cirka 10 miljoner av dem), medan ett annat par lasrar försiktigt lyfter atomerna uppåt i en kammare fylld med mikrovågsstrålning. Frekvensen av den strålning som ändrar tillstånden hos de flesta atomer är det som NIST använder för att definiera sekunder.Dess noggrannhet beror delvis på att klockan arbetar vid en kyla på minus 316 grader Fahrenheit (minus 193 grader Celsius); de kalla förhållandena bidrar till att skydda cesiumatomerna från strövärme som skulle kunna förändra mätningarna av atomernas svängningar. Klockan kommer att vinna eller förlora en sekund ungefär en gång per 300 miljoner år.
2. University of Tokyo/ RIKEN
Detta är en atomklocka med optiskt gitter som byggts av ett team som leds av Hidetoshi Katori. Den använder strontiumatomer som är fångade mellan laserstrålar och kylda till minus 292 F (minus 180 C). Optiska gitterklockor mäter svängningarna hos ensembler av instängda atomer, vilket gör att eventuella fel kan utjämnas. Dess osäkerhet, som rapporterades i tidskriften Nature Photonics den 9 februari, är 7,2 x 10^-18, vilket motsvarar ungefär en sekund per 4,4 miljarder år. Forskarna sade att de kunde köra två klockor av samma typ för att få ner osäkerheten till 2.0 x 10^-18, eller ungefär en sekund vart 16:e miljard år.
3. NIST/JILA:s strontiumklocka
NIST och JILA, ett gemensamt institut vid University of Colorado, Boulder, byggde en strontiumgitterklocka som uppnådde en precision på 1 sekund var femte miljard år. Teamet, som leddes av fysikern Jun Ye, publicerade sitt arbete 2014 och dubbelkontrollerade resultaten genom att köra sin klocka mot en annan exakt likadan. O’Brian sade att NIST planerar ytterligare ett klockexperiment för att driva detta ännu längre, för att överträffa stabiliteten hos den klocka som byggdes av Katoris team i Japan. Klockan fungerar genom att strontiumatomer fångas in med laser i ett slags pannkaksformat utrymme. Ett rött laserljus inställt på en viss frekvens får atomerna att hoppa mellan energinivåer, och dessa hopp är ”tickarna” – cirka 430 biljoner varje sekund.
4. Den kvantlogiska aluminiumklockan
NIST använder inte bara atomer av strontium och cesium. År 2010 byggde NIST en atomklocka som använde en atom av aluminium, med en precision på en sekund per 3,7 miljarder år. Den här använder en enda atom av aluminium som är fångad i magnetfält tillsammans med en enda atom av beryllium. Lasrar kyler de två atomerna till nära den absoluta nollpunkten. En annan laser ställs in på den frekvens som får aluminium att ändra tillstånd. Men aluminiumets tillstånd är svåra att mäta exakt, så aluminiumet kopplas till berylliumatomen. Detta är en liknande process som den som används i uppställningar för kvantdatorer.
5. Shortt-Synchronome Mechanical Clock
Atomklockor får all ära, men O’Brian säger att innan de kom fram var vetenskapsmännen fortfarande tvungna att använda mekaniska klockor – och vissa var ganska exakta. Shortt-klockan, som uppfanns 1921, var ett vetenskapligt standardinstrument i observatorier tills atomklockor ersatte den. Klockan var egentligen ett dubbelt system, som bestod av en pendel i en vakuumtank som var sammankopplad med elektriska ledningar. Den sekundära klockan skickade en elektrisk puls var 30:e sekund till den primära klockan för att se till att de två förblev synkroniserade, och pendeln i vakuumet var tillverkad av en nickel- och järnlegering för att minska eventuell värmeexpansion, som skulle förändra pendelns längd och därmed dess svängning. Klockan är så exakt att pendlarna kan användas för att mäta gravitationseffekter från solen och månen, och det var detta instrument som visade att jordens rotation i själva verket inte var enhetlig. Tester vid U.S. Naval Observatory på 1980-talet visade att klockan hade en noggrannhet på 1 sekund på cirka 12 år.
Relevanta nyheter