Illustreret Videnskab (Denmark)
Kvantemekanik: Nyt atomur er verdens mest praecise.
Under en tiendedel af et sekund – så lidt ville et revolutionerende nyt atomur vise forkert, hvis det havde gået siden big bang. Uret udnytter et saert kvantemekanisk faenomen og er så følsomt, at det måske kan finde universets gådefulde mørke stof.
Et moderne atomur taber bare ét sekund på 300 millioner år. Hvis det var begyndt at tikke ved verdens begyndelse for 13,8 mia. år siden, ville det vise under et minut forkert i dag. Det er mere end rigeligt praecist til at koordinere dagligdagens aftaler – men for fysikerne er det slet ikke nøjagtigt nok.
Problemet er bare, at urene har ramt den graense, der s aet te safa tomernes egenu nøjagtighed. Atomer styres nemlig af kvantemekanikkens saere love, der dikterer, at atomernes svingninger aldrig k ankendes helt praecist. Men nu har forskere fundet en vej til at gøre atomure mere praecise ved at udnytte et andet saert faenomen i kvantemekanik – at atomer kan filtres sammen, så de fungerer som ét.
Princippet vil gøre atomure så praecise, at de kun ville tabe under en tiendedel af et sekund på den tid, der er gået siden big bang. Med så nøjagtige ure kan fysikerne måske endelig løse en af kosmologiens allerstørste gåder: Hvad er mørkt stof?
Lys får elektroner til at springe
Alle ure fungerer ved h jael pa fen svingningsmekanisme, de raltidtager lige lang tid. I et gammeldags pendulur sidder der en vaegt for enden af en stang, der svinger fra side til side. Hver gang pendulet har vaeret én gang frem og tilbage, er der gået ét sekund.
Hvis laengden af stangen og vaegten for enden er lavet praecist, vil pendulet altid svinge med samme frekvens, og uret vil hverken tabe eller vinde tid. I virkelighedens verden vil et pendulur dog altid vaere begraenset af, hvor godt stang og vaegt er produceret, og hvor hurtigt drivmekanismen bliver slidt. I atomure udnytter fysikerne, at atomer kan få en laser til at svinge med langt større praecision end en vaegtstang.
Et atom består af en kerne bygget af protoner og neutroner og en raekke elektroner, der kredser rundt om kernen. Elektronerne sidder i faste baner, kaldet orbitaler, omkring kernen, der alle er bestemt af elektronens energiniveau.
Når en elektron bliver beskudt med laser i atomuret, springer den til et andet energiniveau, dvs. ud i en anden bane om kernen. Elektronen vil dog gerne tilbage til sit eget energiniveau og hopper hurtigt hjem igen.
Fysikerne kan måle, hvornår elektronen springer tilbage, og dermed kan de bruge dens spring til at fintune frekvensen af laseren, så den bliver helt konstant. Elektronen vil nemlig kun springe, når den bliver ramt af stråling med en helt bestemt frekvens. Det er denne frekvens, der fungerer som atomurets pendul. I moderne atomure, der er baseret på grundstoffet ytterbium, slår pendulet 518 billioner gange hvert sekund.
Urene har nået naturens graense
Siden det første atomur blev bygget i 1949, har fysikerne gjort dem mere og mere praecise. Faktisk er de bedste atomure nu så gode, at de har nået den såkaldte standardkvantegraense. De tvil sige, at fundamentale naturlove forhindrer dem i at blive mere praecise.
I kvantemekanik kens verden–den type fysik, som atomerne adlyder – må fysikerne altid leve med noget usikkerhed. Det skyldes helt grundlaeggende, at man ikke på samme tid kan vide, nøjagtig hvor en partikel er, og hvor den er på vej hen.
Selvom fysikerne kender den frekvens, hvor elektronerne skifter energiniveau, meget praecist, er det kun muligt at kende den som et gennemsnit over mange forsøg.
Man kan altså ikke regne med, at én enkelt energiovergang har praecis den velkendte frekvens, men forskerne ved, at hvis de observerer mange energiovergange, vil gennemsnittet passe.
Det svarer til, at et gammeldags pendulur ikke nødvendigvis slog én gang i sekundet, men nogle gange var et halvt sekund om et slag og andre gange halvandet.
Hvis man skulle forsøge at lave en praecis måling af ét sekund med sådan et pendulur, kunne løsningen vaere at stille en