Hoppa till huvudinnehåll

Inrikes

Tester visar att Finlands exaktaste klocka fungerar väl – skulle i teorin kunna gå fel med 1 sekund på 14 miljarder år

Uppdaterad 14.09.2022 06:59.
Det här är Finlands exaktaste klocka - Spela upp på Arenan

Finländska forskare har i snart tio år hållit på med att bygga ett så kallat optiskt atomur. Arbetet börjar vara på slutrakan och i år har man lyckats bekräfta att klockan fungerar såsom tänkt.

Det optiska atomuret upptar ett stort bord i ett särskilt rum i mätteknikcentralen VTT Mikes lokaler i Esbo.

Bordet svävar på luftpelare, för att inte påverkas av vibrationer från omgivningen.

Klockan består av flera lasrar, en massa speglar och sladdar, och inne i ett metallhölje finns en central del som är nedkyld till bara en tusendels grad ovanför den absoluta nollpunkten, alltså strax över -273,15°C.

Här står en laddad atom så gott som stilla, och man skjuter laserljus på den.

Ett atomur
Bildtext Det optiska atomuret ser nu ut så här.
Bild: Linnea de la Chapelle / Yle

optisk atomklocka
Bildtext Så här såg det halvfärdiga optiska atomuret ut för drygt sju år sedan under Svenska Yles förra besök.
Bild: Yle/Niklas Fagerström

– Det här är alltså en följande generations atomklocka. De kallas för optiska klockor, för att man producerar ljus med en viss välkänd frekvens, till skillnad från traditionella atomklockor där man ofta producerar mikrovågor, berättar specialforskare Anders Wallin vid Teknologiska forskningscentralen VTT.

Anders Wallin
Bildtext Anders Wallin har jobbat med klockprojektet i många år.
Bild: Linnea de la Chapelle / Yle

Klockan håller takten med hjälp av frekvensen på ljuset som sänds ut när en elektron hoppar mellan två utvalda energinivåer i en atom.

Forskarna mäter alltså svängningarna i de optiska frekvenserna med laserljus, och ett instrument som kallas för frekvenskam.

Frekvenskammens utveckling i början av 2000-talet (Nobelpriset i fysik år 2005) är en av förutsättningarna för den snabba utvecklingen av optiska atomur under de senaste åren.

Ja, nu känns det nog bra

― specialforskare Anders Wallin

– Tidigare i år hade vi en internationell jämförelse där hela klockan var igång och vi jämförde den här klockans frekvens med andra i Europa, berättar Wallin.

Då kunde man bekräfta att den faktiskt fungerar. Jämförelsen gjordes via satellit och man fick bekräftat att klockan är åtminstone lika exakt som ett traditionellt atomur.

– Ja, nu känns det nog bra. Det har ju nog varit ett långt projekt och det verkar nu ge de resultat som vi ganska länge har väntat oss.

Exakt hur noggrann den finländska klockan är har man ännu inte kunnat mäta, eftersom noggrannheten inte är tillräckligt hög via satellit. Det skulle krävas en direkt optisk fiber-kontakt till en annan optisk atomklocka för att få klarhet i saken.

Klockan ska inom ett par år hjälpa till med att hålla både Finlands officiella tid och världstiden exakt

Studier i utlandet har ändå visat att optiska atomklockor har visat sig vara åtminstone tiotals gånger mer noggranna än de traditionella atomklockor som används i dag. Det är möjligt tack vare att ljusets frekvens är högre.

Det optiska atomuret kan mäta sekunder med upp till 18 decimalers noggrannhet. Forskargruppen vid VTT siktar på att klockan inom ett par år ska hjälpa till med att hålla både Finlands officiella tid och världstiden exakt.

De optiska atomuren kan bana väg för en ny definition av sekunden, som nu bygger på svängningar i en mikrovågsövergång i cesiumatomer.

Högre frekvenser ger bättre noggrannhet

  • Historiskt sett har utvecklingen av allt bättre atomklockor alltid gått mot högre frekvenser.

  • VTT:s optiska atomur baserar sig på en strontiumjon.

  • Det röda laserljus som produceras i det optiska atomuret har en frekvens på 444 779 044 095 486 Hz.

  • Det är cirka 50 000 gånger högre än den mikrovågsfrekvens på 9 192 631 770 Hz som cesiumklockan (SI sekundens nuvarande definition) opererar på. Finlands officiella tid bestäms tills vidare med hjälp av kommersiella cesium-atomur.

atomklocka
Bildtext Den här så kallade vätemasern är en av flera kommersiella atomklockor som håller Finlands tid i rätt takt. En maser är samma sak som en laser, men den använder mikrovågor i stället för ljus (arkivbild).
Bild: Yle/Niklas Fagerström

Atomuret är tills vidare svårt att hålla igång länge

Det optiska atomuret i Esbo har hittills varit aktivt som mest i några dagar i ett sträck. Det är till exempel svårt att hålla i den ena jonen, alltså den laddade atomen i klockans centrala del eftersom det finns störande bakgrundsgaser där.

– Vi har kommit en bit framåt med att automatisera klockan. Där vill vi komma framåt så att den skulle kunna gå utan underhåll i flera veckor. Då skulle vi kunna göra längre och bättre jämförelser internationellt och också mot våra egna mikrovågsklockor.

Ju längre klockan är aktiv, desto noggrannare tidsmätningar kan det alltså leda till.

Ett optiskt atomur som skulle ha startats i samband med universums födelse – för närmare 14 miljarder år sedan – hade i dag gått fel med endast en sekund. En så noggrann klocka handlar det om.

Det här kan jämföras med att ett typiskt mekaniskt armbandsur kan visa 3 sekunder fel på en enda dag, eller med att en kvartsklocka kan visa 10 sekunder fel på ett år.

Viktiga tillämpningar inom fysiken

Exakta klockor är viktiga för forskningen inom fysik. Det handlar främst om grundforskning, alltså forskning som man ännu inte vet varför den är viktig, där man utforskar gränserna för vårt vetande och försöker finna ny kunskap. Men det finns också praktiska tillämpningar på kort sikt.

– Nuvarande mikrovågsklockor används till exempel inom satellitnavigering. GPS-satelliterna har atomklockor i sig. Om de kunde göras noggrannare så kunde man tänka sig att navigeringen blir bättre, påpekar Wallin.

I nuläget är de flesta GPS-satelliterna noggranna till cirka 3 meter, och de europeiska Galileo-satelliterna noggranna till en knapp meter.

Man kan också använda ett optiskt atomur som höjdmätare, genom en effekt som kallas för gravitationell rödförskjutning.

– Gravitationen har en sådan effekt att klockor som är lägre ned, närmare jordens mittpunkt, går långsammare. Man har tänkt sig att ett sätt att mäta höjdskillnader på jorden också är att bygga tillräckligt exakta klockor som man kan jämföra med varandra.

Med den optiska klockans noggrannhet skulle man kunna mäta höjdskillnader med bara någon centimeters noggrannhet.

Atomuret ger alltså utslag enligt hur stark gravitationen är. Och gravitationen beror i sin tur på hur tungt det som ligger undertill är. Det här innebär att optiska atomklockor också skulle kunna användas för att hitta naturresurser i marken.

Dessutom kan optiska atomur användas för att mäta olika naturkonstanter.

I experiment har man till exempel kunnat verifiera att fysikens lagar fungerar på samma sätt var som helst i universum och i vilken riktning som helst. Det gjordes genom att man jämförde två optiska atomur där magnetfältet (och via magnetfältet också atomen eller jonen) var riktat i olika riktningar. Klockorna hade då samma frekvens.

Metron ledde såsom väntat till störningar

Metrobanan är på bara några hundra meters avstånd från atomuret och varje acceleration och inbromsning av metrotåg vid den närbelägna stationen i Otnäs orsakade problem för det optiska atomuret, såsom forskarna också hade befarat i en tidigare intervju med Svenska Yle år 2015.

Bildtext Metron västerut från Helsingfors passerar Kägeludden i Esbo (på bilden) och Otnäs.
Bild: Arkkitehtitoimisto CJN Oy

De starka strömstyrkorna från metron förorsakade alltså magnetfält som störde klockan.

Nu är klockan ändå skyddad av effektiva magnetiska skydd och metron utgör inte längre ett problem.