Viten

Sekundet slik vi kjenner det er 50 år

Neste anledning til å endre sekundet er i 2018.

Verdens mest presise klokke: Den beste optiske atomklokken har en presisjon som tilsvarer mindre enn ett sekund feil i løpet av 100 milliarder år. Strontiumatomer holdes i ro i med en temperatur nær det absolutte nullpunkt i et tredimensjonalt gitter ved hjelp av tre par stråler med fiolett laserlys.
  • Harald Hauglin
    Sjefingeniør, Justervesenet, førsteamanuensis ved Universitetet i Oslo
Viten er Aftenpostens satsing på forskning og vitenskap, der forskere og fagfolk fra hele landet bidrar med artikler.

«Dere gir oss et vakkert tema å dvele ved: Å kunne måle bevegelsen til stjernene i det uendelige store kosmos ved hjelp av vibrasjoner i uendelig små atomer».

Med disse poetiske ordene åpnet den franske utenriksministeren den 13. generalkonferansen for mål og vekt i Paris i oktober 1967. Ministeren siktet til den nær forestående nye definisjonen av enheten sekund som ikke lenger skulle være basert på jordens bevegelse, men på radiobølger i cesium.

Få år tidligere var meteren blitt reformert på samme måte. Den var ikke lenger knyttet til en bestemt meterstav avledet av jordens omkrets, men til et antall bølgelengder av lys fra krypton.

Artikkelforfatter Harald Hauglin med én av Justervesenets tre cesiumklokker. Industrielle cesiumklokker har en nøyaktighet som tilsvarer mindre enn ett sekund feil i løpet av en million år.


Edderkoppsilke

Definisjon av tid og tidsskalaer hadde gjennom århundrer vært astronomenes domene. Den fundamentale tidsenheten døgn ble bestemt ved å bruke meridianteleskoper utstyrt med sikter av fineste edderkoppsilke til å observere tidspunkt for passasje av såkalte klokkestjerner.

Les også

Les også: Verdens offisielle tid er i utakt med jordrotasjonen

Døgnet ble igjen delt i mindre enheter som timer, minutter og sekunder ved hjelp av klokker. I begynnelsen av det 20. århundre var de beste klokkene så stabile at man kunne måle at jorden roterte med ujevn takt, men hverken stabile lenge nok eller tilstrekkelig samstemte seg imellom til å kunne erstatte jordens bevegelse som basis for tid.


Langt mer stabil

Dette endret seg i 1955 da den første cesiumklokken ble satt i drift ved National Physical Laboratory i Storbritannia. Den var langt mer stabil enn jordens bevegelse, og dessuten var klokketakten en naturkonstant, nemlig frekvensen til en kvantemekanisk overgang i cesiumatomet. Det siste åpnet for å lage mange like nøyaktige klokker.

De påfølgende årene ble brukt til å gjøre en systematisk sammenligning av klokketakten i ulike cesiumklokker mot hverandre og mot den da gjeldende definisjonen av sekundet. Resultatet av sammenligningen ble grunnlag for definisjonen av det atomære sekundet, vedtatt i Paris 13. oktober 1967:


«Ett sekund er varigheten av 9 192 631 770 perioder av strålingen som tilsvarer overgangen mellom de to hyperfin-nivåene i grunntilstanden til 133Cs»

Vital 50-åring

50 år er et gammelt sekund, men dette er en høyst vital 50-åring: Utviklingen av ulike atomklokker og det internasjonale samarbeidet rundt standardisert nøyaktig tid og frekvens er en fundamental forutsetning for en rekke teknologier moderne samfunn er helt avhengige av.

Noen eksempler:

  • Høyhastighets datatrafikk krever at ulike deler av nettet går med samme takt for å unngå trafikk-kork. Det er utenkelig å synkronisere et moderne telenett etter jordens rotasjon.

  • Satellittnavigasjonssystemer som Galileo og GPS er basert på at det er nøyaktige atomklokker i satellittene. En svært utbredt bruk av GPS er da også utelukkende som kilde til nøyaktig tid og takt.

En lys fremtid

Hva med de neste 50 årene? Cesiumatomet vil i løpet av få år bli satt på sidelinjen, men det atomære sekundet kan med rette sies å ha en lys fremtid. 9 192 631 770 svingninger pr. sekund er nemlig ikke raskt nok dersom man ønsker å lage enda mer nøyaktige klokker.

Les også

Les også: Tid påvirker alt som skjer i kroppene våre

De beste cesiumklokkene har en nøyaktighet som tilsvarer ett sekunds avvik i løpet av 150 millioner år, eller som å kunne måle avstanden mellom jorden og solen med et avvik som ikke er større enn tykkelsen av et hårstrå. Den «lave» klokketakten gjør at det kan ta år med målinger for å verifisere nøyaktigheten.

De siste 20 årene er det utviklet optiske atomklokker som bruker synlig lys med rundt 500 000 000 000 000 svingninger pr. sekund. Optiske atomklokker sammenlignet seg imellom har vist seg å være mer enn hundre ganger mer presise enn de beste cesiumklokkene.

Den høye klokketakten gjør det mulig å verifisere presisjonen i løpet av noen få timer med målinger, men så lenge sekundet pr. definisjon er knyttet til cesiumatomet, vil optiske atomklokker ikke kunne sies å være mer nøyaktige.

Ny tid i 2018?

Det er en paradoksal og uholdbar situasjon at beste realiserbare nøyaktighet til sekundet er begrenset av en definisjon og ikke av de beste klokkene.

Neste anledning til å rette opp i dette vil komme ved den 26. generalkonferansen for mål og vekt i 2018. Men inntil videre er det cesium og 9 192 631 770 svingninger pr. sekund som gjelder.

Følg Aftenposten Viten på Facebook og Twitter!

Les mer om

  1. Viten
  2. Klokker