Illustreret Videnskab (Denmark)
Sammenfiltring gør atomuret mere praecist
Pendulet i et atomur er en laser med en meget nøjagtig bølgelaengde, der korrigeres af atomer. Ved at forbinde atomerne med hinanden har forskere gjort atomuret endnu mere praecist.
raekke ure op ved siden af hinanden og tage gennemsnittet af deres slag. På samme måde konstrueres moderne atomure ved, at adskillige tusind atomer beskydes på én gang, og derefter tager forskerne gennemsnittet.
Problemet er, at forskerne ikke kan vaere sikre på, om alle atomerne lige praecis denne gang har slået for kort eller for langt. Men sandsynligheden for, at det sker, bliver mindre, jo flere atomer der beskydes. Man siger, at den statistiske spredning bliver mindre – men den bliver aldrig helt nul.
Laser filtrer atomerne sammen
I det taenkte eksempel, hvor forskerne tog gennemsnittet af mange pendulers slag, kunne man forestille sig, at de gik et skridt videre og lod pendulerne hjaelpe hinanden. Ved at saette en stang mellem alle pendulerne kunne man tvinge dem til at slå med samme frekvens, fordi de penduler, der slog lidt for langsomt, ville bremse de hurtigere, og omvendt. På samme måde har fysikerne ved MIT i USA nu bundet ytterbium-atomerne i et atomur med 350 atomer sammen, så de hjaelper hinanden med at holde tiden. Atomer kan selvfølgelig ikke bindes sammen med en stang. I stedet har forskerne udnyttet, at atomer kan eksistere i såkaldt sammenfiltrede tilstande, hvor flere atomer i en gruppe reagerer, som var de ét. Når atomerne er sammenfiltrede, reduceres usikkerheden, fordi deres svingninger mødes i en enkelt frekvens, akkurat som de sammenbundne pendulure.
Rent praktisk presses atomernes spin – groft sagt deres rotation – sammen ved hjaelp af en laser. Når atomernes spin er trykket sammen, betyder det, at hvis ét atom har spin i en bestemt retning, er der større sandsynlighed for, at det atom, det er trykket sammen med, har spin i samme retning.
Resultatet er, at usikkerheden bliver mindre og uret dermed mere praecist. Faktisk er det “sammenfiltrede” atomur, der endnu kun er en prototype, omkring 600 gange så nøjagtigt som traditionelle atomure. Uret ville tabe under en tiendedel af et sekund på de 13,8 mia. år, universet har eksisteret.
Mørkt stof får ure til at vise forkert
Så høj en praecision giver fysikerne helt nye muligheder for at udforske universets mystiske mørke stof, der kun er observeret via dets tyngdepåvirkning. Tyngdekraften og den tid, ure måler, haenger nemlig taet sammen, fordi tiden går langsommere, hvor tyngdekraften er større. Når fysikere måler på galaksers rotation og sammenligner målingerne med andre målinger af, hvor meget stof der er i galaksen, passer de to tal ikke sammen. Regnestykket går kun op, hvis forskerne antager, at der findes en masse stof i alle universets galakser, som ikke kan ses på anden måde end ved den tyngdekraft, det påvirker omgivelserne med. Fysikerne har endnu ikke observeret mørkt stof i naerheden af Jorden, men det kan de ultrapraecise atomure lave om på. Hvis det mørke stof passerer igennem et ur og interagerer med det, vil det nemlig kunne måles som en ganske lille fejl i tidsmålingen. Jo svagere det mørke stof interagerer med sine omgivelser, jo mindre vil den lille fejl vaere – og jo mere praecise ure kraever det at registrere den.
En gruppe forskere fra flere universiteter og laboratorier i USA forsøger at måle det mørke stof på netop denne måde. Forskerne har brugt GPS-satellitter til at måle den minimale tidsforskel, der vil opstå, når mørkt stof har passeret en af satellitterne, men endnu ikke de andre. Men selvom satellitterne er udstyret med atomure, har de hidtil ikke vaeret praecise nok til at afsløre det mørke stof.
Forskerne siger selv, at fremtidige målinger med et netvaerk af ekstremt praecise atomure i satellitter eller laboratorier på Jorden vil kunne forbedre målingerne. Så måske bliver det det nye sammenfiltrede atomur, der afslører gåden om det mørke stof i universet.