Sagens kerneur

Sagens kerneur

Share

Det kendte gamle atomur har måske snart draget sit sidste klokkeslæt. Afløseren er en tidsmåler, der så at sige finder helt ind til sagens kerne

Atomure har hidtil været de mest præcise tidsmålere, mennesket har skabt. De bruges til alt fra satellitbaserede navigations-systemer og forestår systemsynkroniseringen i partikelacceleratorer til at fastlægge grundlaget for definitionen af sekundet. De bedste atomure er desuden så stabile, at de kun taber eller vinder ét sekund for omkring hver 15. mia. år eller stort set lige så længe, som universet har eksisteret.

Et kvantespring frem i tiden

Et atomur er, som navnet, antyder baseret på atomer, og evnen til at måle tidens forløb ligger i frekvensen af den elektromagnetiske stråling, som udsendes eller absorberes når atomets elektroner springer mellem forskellige baner eller skaller i forhold til atomkernen (også kaldet kvantespring). Navnlig er cæsium-atomet her velegnet, fordi det meget gerne vil slippe af med den enlige elektron, som atomet har i sin yderste skal, så dets næstyderste skal med 8 elektroner bliver den stabile yderste. Fysikerne taler om ”skaller”, fordi elektroner snarere er stående energibølger eller energitåger end partikler.

Det er muligt at fremprovokere kvantespring ved at bestråle atomet med mikrobølger, hvilket får elektronen til at springe ud af sin skal og afgive energi i form af elektromagnetisk udstråling (fotoner), og denne stråling har en frekvens på cirka 9 gigahertz. Jo større sammenfald der er mellem mikrobølgernes frekvens og frekvensen af den iboende elektromagnetiske udstråling, jo flere kvantespring, vil der ske.

Hvis du sammenligner disse spring eller svingninger med et pendulur, der tikker, har du faktisk et godt billede på det kvantemekaniske hjerte i et atomurværk. Nøjagtigheden fremkommer ved at tune de anvendte mikrobølger nøjagtigt ind på atomets udstrålingsfrekvens og derpå måle denne frekvens. Er atomet cæsium, er der gået et sekund efter 9.192.631.770 kvantespring. Du har dermed inddelt tiden i meget små enheder, og det er det, der gør et atomur så præcist.

Andre atomer som eksempelvis hydrogen, strontium og rubidium udsender selvsagt stråling med andre frekvenser. Et strontiumur udsender et eksempel stråling med optiske frekvenser (dvs. i området 430-770 THz) og kaldes derfor også for et optisk atomur. Her bruger forskerne imidlertid fotoner fra lasere frem for mikrobølger til at ”skyde” gang i processen.

Helt ind til kernen

Men selv om det nu hen ved 70 år gamle atomur er ultrapræcist efter alle almindelige begreber, er det alligevel ikke længere præcist nok for fysikerne. I hvert fald har flere uafhængige forskningsgrupper verden over forsøgt at udvikle et alternativ, der vil kunne yde mange gange bedre og sandsynligvis give forskerne helt nye muligheder. Det handler om kerneuret, der tager udgangspunkt i atomkernen, og ikke hele atomet. For også atomkernen er sat sammen af partikler i form af positivt ladede protoner og neutrale neutroner og har kvantespring af en meget højere frekvens end skallernes elektroner.

Se også:  Fitness-ure [TEST]: Tag fitness-centret på armen

Det er nogle af de forhold, som gør et kerneur mere nøjagtigt end et atomur og vil kunne udmåle tiden med en nøjagtighed på op til 19 decimaler, hvilket svarer til, at uret vil vinde eller tabe en tyvendedel sekund på 15 mia. år. Men da et atoms protoner og neutroner er meget tæt pakket i kernen (der er hundredetusinder gange mindre end hele atomet, og tilmed beskyttet af sine elektronskaller udenom), er de også meget mindre udsat for påvirkninger udefra. Kvantespringsprocessen i kerneure kan derfor ikke katalyseres af mikrobølger, men kan kun sættes i gang ved at beskyde atomkernens neutroner med fotoner fra laserlys med samme frekvens som den elektromagnetiske udstråling, atomkernen udsender under kernekvantespring.

Da energiniveauet under kernekvantespring dog er adskillige gange stærkere end under elektronernes kvantespring, forudsætter igangsætning af processen laserenergi, der er lige så adskilligt mange gange stærkere end energien i de fotoner, videnskaben i dag er i stand til at producere med laser. Frekvensen må heller ikke være højere, end laseren populært sagt kan følge med, ligesom der er andre forhold, der gør sig gældende.

I modsætning til atomure, der kan være baseret på forskellige atomer, har forskerne erkendt, at et kerneur i praksis kun vil kunne opbygges omkring et enkelt bestemt grundstofatom, og det er thorium (og endog kun i ion-varianten Th229m, der er en ud af de seks forekommende og i øvrig ret ustabile varianter). Forskerne har dog endnu ikke fuld forståelse af detaljerne i dette atoms kerneopbygning.

Men nu foreligger imidlertid nye epokegørende forskningsresultater, der formentlig kan åbne vejen for at realisere konstruktionen af et egentligt thorium-kerneur.
Fire forskellige europæiske forskningsinstitutioner har nemlig nu kunnet offentliggøre et samlet forskningsresultat, der på basis af laserspektroskopi har karakteriseret strukturen for 229mTh, mens en russisk forskergruppe har formået at bestemme energien og levetiden på denne variant. Og alle resultater synes at pege på, at 229mTh har alle de egenskaber, der kan muliggøre konstruktionen af verdens første kerneur.

Større præcision, nye anvendelser

Omvendt af atomure, der har mange praktiske anvendelser, vil et hyperpræcist kerneur nok i første omgang være mest interessant i forbindelse med grundforskning inden for fysik og astronomi.

”Et sådant kerneur vil være omkring 100 gange mere nøjagtigt end de bedste atomure, vi har i dag, og vil gøre det muligt for videnskaben at teste fundamentale fysiske teorier med uset præcision, ligesom det vil være et uovertruffent værktøj for anvendt fysik,” siger professor Victor Flambaum, der er leder af afdelingen for teoretisk fysik på University of New South Wales, der er en af de forskere, der har været involveret.

Victor Flambaum henviser her til det faktum, at flere videnskabsfolk nemlig gennem tiden har gjort sig tanker om værdien af universets naturkonstanter som eksempelvis lysets hastighed og grundet over, om de nu også i virkeligheden er så konstante, eller om de måske kan have haft andre værdier i universets barndom. Og selv om det stadig er en meget spekulativ påstand, har der fra tid til anden været fremlagt enkelte astrofysiske observationer, der kunne indikere noget sådant.

Videnskaben har selvsagt forsøgt at afklare hypotesen i laboratorieeksperimenter med brug af atomure, uden at det dog har givet anledning til mistanke om nogen afvigelser. Men med et kerneur vil det blive muligt at afklare spørgsmålet med temmelig stor nøjagtighed, og dermed vil man muligvis kunne opdage, om universets finstrukturkonstanter har ændret sig. Det vil være sensationelt, hvis det skulle vise sig at være tilfældet.

Ur med egen hjemmeside
Flere institutioner i Europa er gået sammen om at udvikle kerneuret og dele de sidste nyheder inden for området med offentligheden. Projektet, der hedder nuclock.eu, har sin egen hjemmeside, og er du interesseret, er der meget at hente på https://www.nuclock.eu/

Del denne