Hoppa till huvudinnehåll

Det här atomuret ska ge Finland 100 gånger noggrannare tid

atomklocka, optisk atomklocka
Det här blir Finlands bästa klocka. Ett optiskt atomur i Mätteknikcentralen i Esbo. atomklocka, optisk atomklocka optisk atomklocka

Finlands officiella tid har varit ovanligt exakt under de senaste två åren, vilket är goda nyheter för många aktörer i samhället. Men forskare jobbar intensivt på att göra tidsmätningen ännu exaktare. Den kommande västmetron kan däremot bli ett hot mot det här.

klockrummet
Klockrummet är isolerat från det övriga huset. klockrummet Bild: Yle/Niklas Fagerström klockrummet
I ett valv i Mätteknikcentralen Mikes källare i Otnäs i Esbo ligger det som de anställda kallar för klockgrottan. Specialforskare Thomas Fordell visar oss dit.

- Ja, här inne har vi då våra atomklockor som upprätthåller Finlands tid. Och det är ett välskyddat rum, från elektromagnetiska störningar och vibrationer och allt sånt.

Han tillägger att det i rummet finns atomklockor av olika typer - både vätemasrar och en cesiumklocka.

- De här vätemasrarna är de här bästa som vi använder för att upprätthålla Finlands tid.

Höga krav på luftkonditioneringen

atomklocka
Den här vätemasern håller Finlands tid i rätt takt. atomklocka Bild: Yle/Niklas Fagerström atomklocka
En maser är samma sak som en laser, men den använder mikrovågor i stället för ljus. Apparaterna här är beroende av ovanligt exakt luftkonditionering.

- När man tar in luft så ska den först kylas ned så att man får bort fuktighet, och så sätter man till en viss mängd fuktighet så att man vet att det blir exakt konstant, och så ska det ha exakt rätt temperatur.

Varför är det så viktigt att ha en sådan här exakt luftkonditionering?

- I elektroniska kretsar så kan du få fasskift om temperaturen ändras och det påverkar då den tid du mäter, att en signal kan fördröjas olika beroende på vad du har för en temperatur i en komponent.

thomas fordell
Thomas Fordell tittar in i klockrummets innersta, mest skyddade del. thomas fordell Bild: Yle/Niklas Fagerström thomas fordell
Klockorna i valvet använder sig av atomernas vibrationer för att räkna ut tiden, på liknande sätt som en pendelklocka använder sig av en pendel.

- Traditionellt pratar man hela tiden om cesiumklockor, men de här väteklockorna är bättre på kort sikt, upp till några dagar. Sen börjar de driva iväg, så då måste vi korrigera dem.

Tiden jämförs med utlandet

satellit med atomklocka
Tiden kan synkroniseras via satellit. Flera satelliter, såsom den här europeiska Galileo-satelliten har också en egen atomklocka ombord. satellit med atomklocka Bild: EPA/ESA galileo
Korrigeringen sker genom att man synkroniserar med världstiden som upprätthålls vid den internationella byrån för vikt och mått i Paris.

- Vi skickar rapporter om våra klockor dit och så justerar vi våra klockor och försöker hålla koordinerad universell tid.

Synkroniseringen sker via satellit och är relativt exakt.

Mätteknikcentralen, som för övrigt är en del av Teknologiska forskningscentralen VTT sedan årsskiftet, har också flera atomklockor i beredskap ifall att något oförutsett skulle ske med den klocka som just då upprätthåller Finlands tid.

- Och det händer ibland. Det är någon komponent som går sönder och så stannar de, och så får vi bara koppla om.

Flera aktörer beställer på exakt tid

Slaget efter tolv
Slaget efter tolv Bild: YLE / Daniel Nylund svenska.yle.fi
Tiden från Mätteknikcentralen distribueras till betalande kunder runtom i landet, och också gratis i mindre exakt form.

Vilka de betalande kunderna är är hemligt, men det handlar om ministerier, statliga verk, storstäder, högskolor, universitet och företag. Och det är känt att de verkar bland annat inom datakommunikation, medicin, elektroniktillverkning, processindustrin och byggindustrin.

Att tiden är så exakt som möjligt är viktigt bland annat för transaktioner i finansvärlden, för dataöverföringar på internet, för elöverföringar mellan Finland och utlandet, och framför allt för avancerad forskning.

Sällsynt god punktlighet

Den atomklocka som nu används som den primära har gått ovanligt exakt under de senaste två åren. Den finländska tiden har därför i medeltal bara skilt sig 10 nanosekunder från världstiden i Paris, alltså 10 miljarddelars sekunder.

- För tillfället så ligger vi ungefär 2,5 nanosekunder från världstiden. Ganska bra.

Vissa kanske funderar varför Finland behöver ha egna atomklockor om det ändå går att synkronisera tiden. Hur svarar du på det?

- Jo, men man vill ha väldigt exakt tid på grund av olika orsaker. Om man inte har goda klockor så måste man lita på GPS, men GPS kan stängas av när som helst. Det är nog bra att kunna lita på sina egna klockor också.

Många klockor håller världstiden rätt

Klockorna synkroniseras alltså med världstiden, vilket gör tiden mer exakt. I medeltal går de finländska atomklockorna därför fel med bara en sekund på några tiotals miljoner år. Men hur räknar man då ut världstiden, kanske du undrar? Hur vet man vad som är rätt tid?

- Det finns ungefär 400 klockor som upprätthåller världstiden. De befinner sig på olika höjd i olika länder. Då påverkas de av gravitationen på olika sätt och alla går i lite olika takt, förklarar Thomas Fordell.

- Men så finns det ungefär 14 klockor som kallas för primärfrekvensstandarder och de använder man för att justera de här 400 klockorna då. Så att en sekund faktiskt motsvarar sekundens definition, tillägger han.

Nya atomklockor kommer att omdefiniera tiden

Jorden sedd från rymden.
Sekunden baserar sig inte längre på jordens rotation. Jorden sedd från rymden. Bild: AP Graphics Bank rymd
Tidiga definitioner av vad en sekund egentligen är baserades på hur solen verkade röra sig runt jorden. Soltiden delades in i 24 timmar, alltså 86 400 sekunder. Sekunden definierades därför som en åttiosextusenfyrahundradedel av den genomsnittliga soldagen. Men under 1900-talets början visade astronomiska observationer att den här genomsnittliga tiden blir något för lång, och att jordens rotationshastighet inte är konstant.

Efter tillkomsten av atomur började man istället år 1967 definiera sekunden på ett mer exakt sätt, som för en lekman kan verka lite knepigt: nämligen varaktigheten av drygt 9,19 miljarder perioder av den strålning som motsvarar övergången mellan de två hyperfinnivåerna i grundtillståndet hos atomisotopen cesium-133.

Det är möjligt att den här definitionen kommer att ändra till en optisk definition inom en snar framtid, eftersom det är ännu mer exakt. Vid Mätteknikcentralen i Finland är man väl förberedd för det här, för man håller på att bygga en egen optisk atomklocka.

- Sekundens definition ska vara så bra och exakt som möjligt, och de här nya klockorna kommer att vara bättre än de gamla, så då kommer man att omdefiniera sekunden i form av en optisk klocka, och en optisk transition i en atom eller i en jon, kommenterar Fordell.

Ännu bättre tidsmätning om ett år

optisk atomklocka
Den halvfärdiga optiska atomklockan i Otnäs består av en hel del komplicerad elektronik. optisk atomklocka Bild: Yle/Niklas Fagerström optisk atomklocka
Fordell preciserar att den nya atomklockan troligen blir mycket bättre än de nuvarande.

- Vi hoppas att den blir 10-100 gånger mer exakt än de här traditionella atomklockorna.

Han har, tillsammans med tre kolleger, byggt den nya klockan på deltid i fyra år. De räknar med att vara klara om ett år.

Hur har det varit att bygga den?

- Det är väldigt utmanande. För det är så många komponenter som ska fungera väldigt bra.

Hur klockan kommer att fungera

atomklockan står på stadig grund
Delar av den optiska atomklockan kommer att stå på mycket stadig grund. atomklockan står på stadig grund Bild: Yle/Niklas Fagerström atomklocka
- Vi kommer att fånga in en enda strontiumjon i en elektromagnetisk fälla och så kyler vi ned den med en laser till nära absoluta nollpunkten. Några millikelvin. Och den här jonen har då ett sådant här långlivat tillstånd som vi då låser en röd laser till. I princip så, om den här lasern har exakt rätt frekvens så kommer den här jonen att reagera.

Fordell tillägger att om den har fel frekvens så reagerar den inte.

- Så vi styr laserns frekvens så att jonen hela tiden reagerar, så att säga. Och så är det bara då att räkna perioderna i den här laserstrålen, precis som man räknar svängningarna på en pendel i en gammal pendelklocka. Det är bara att pendeln svänger väldigt snabbt för oss.

Metron ett potentiellt hot - men troligen inte

Den nya metrosträckningen passerar Kägeludden (på bilden) och Otnäs. Bild: Arkkitehtitoimisto CJN Oy kägeludden
Men deras hårda arbete kan i värsta fall vara delvis förgäves på grund av västmetron som passerar Otnäs från och med nästa år.

- Vi är dels oroliga för vibrationer, och dels för magnetfält, för vi antar att det går ganska starka strömmar som metrons elmotorer behöver. Och starka strömmar orsakar starka magnetfält.

Men om man inte vet när det kommer sådana här störningar, kan man ändå ta dem i betraktande?

- Det är just det som är problemet. Om det är ett nytt konstant magnetfält så kan vi kompensera enkelt för det, men om det varierar hela tiden så finns det inget sätt för oss att korrigera för det.

Fordell tillägger ändå att det troligen går att lösa problemet med hjälp av mymetall, en nickel-järn-legering som effektivt kan skärma av statiska eller lågfrekventa magnetfält.

Dessutom kan vissa delar av klockan flyttas, så apparaten kan vid behov föras till en annan plats och byggas upp på nytt. Och oberoende så kommer den optiska atomklockan inte att ersätta de nuvarande helt och hållet.

- Den här optiska atomklockan, den går inte kontinuerligt, utan bara då och då. Men när den går ska den gå väldigt exakt så att vi kan korrigera de andra klockorna.

Punktliga klockor viktiga för forskningen

thomas fordell
Det är Thomas Fordell och tre andra personer vid Mätteknikcentralen som bygger den nya atomklockan. thomas fordell optisk atomklocka
Det är inte bara i Finland man jobbar på att bygga exaktare klockor. I Japan har forskare vid universitetet i Tokyo nyligen tagit fram en optisk atomklocka som med hjälp av kraftig nedkylning drar sig bara en sekund på 16 miljarder år.

Hur viktigt kan det bli för forskning i framtiden, det att klockorna blir allt exaktare?

- Kan ha jättestor betydelse. En av de stora frågorna inom fysiken är att är de här konstanterna faktiskt konstanta eller varierar de med tid?

I naturen finns många konstanter. Hit hör bland annat gravitationskonstanten, förhållandet mellan protonens och elektronens massor, och ljusets hastighet. De har fått sitt namn just för att de tros vara konstanta – oföränderliga i tid och rum.

- Så om man har två olika typer av väldigt exakta klockor, om de driver ifrån varandra så betyder det att det är nån konstant som vi trodde var konstant, men som ändras med tid. Och då måste vi skriva om fysiken. Delvis.

Dessutom kan optiska atomklockor också användas för att mäta pyttesmå förändringar i jordens gravitation. Det kan potentiellt hjälpa geologer att bättre förstå de processer som förorsakar jordbävningar, och kanske till och med göra det möjligt att förutspå dem bättre än i dag, så att människoliv kan räddas.

Exaktare tidsmätning kommer alltså att öppna upp för många användningsområden inom forskningen. Flera av dem kan vi inte ens föreställa oss i dag.