Et sekund er ikke et sekund: Tidsregninga vår kan bli endra

Et sekund kan være så mangt.

Det er tiden som går mellom to hjerteslag hos et menneske.

Det er tiden det tar dovendyret å bevege seg sju centimeter. Det er tiden lyset bruker på å tilbakelegge 300.000 kilometer.

Vinner du hundremeter sprint med et helt sekund har du utklassa konkurrentene dine. Vinner du maraton med så lite som et sekund har dere så å si sprunget like fort.

Det er tiden det tar å ta verdens aller beste, eller aller dårligste avgjørelse.

Men selv om et sekund kan være alt dette, er det også noe veldig konkret:

Ett sekund er tiden det tar for lyset som sendes ut når et cesium-133-atom skifter energinivå å vibrere nøyaktig 9.192.631.770 ganger.

Jeg sa konkret, ikke intuitivt. Dessuten ser det uansett ut som om et sekund snart skal bli noe helt annet.

Alt til sin tid

Behovet for å kunne måle tid er ikke nytt. Vi har hatt behov for å vite hvor lenge det er til det blir mørkt, når vi bør ta inn avlinga, når vi skal utføre den religiøse seremonien.

Hvis du først skal ofre et menneske til solguden Huitzilopochtli er det lurest å gjøre det på riktig klokkeslett, ellers har du jo drept noen helt uten rasjonell grunn!

Heldigvis har vi alltid hatt Sola, som med sin regelmessighet i tospann med jordrotasjonen er et glimrende hjelpemiddel hvis du vil telle dager. Timer også – sånn omtrent, hvert fall.

Lenge brukte vi også Sola for å definere sekundet. Det er 24 timer i ett døgn, 60 minutter i én time, 60 sekunder i ett minutt = 86400 sekunder i ett døgn.

De fleste av oss bruker nok fortsatt denne definisjonen, og den funker helt fint til de fleste formål. Men hvis du tror fysikere slår seg til ro med «funker helt fint til de fleste formål» tar du feil!

Enter atomklokka

I 1967 begynte en ny tidsregning, den vi har i dag. Sola ble bytta ut med noe mindre, nemlig atomet.

Og når vi skal prøve å forklare definisjonen vi starta artikkelen med, ett sekund er tiden det tar for et cesium-133-atom å vibrere nøyaktig 9 192 631 770 ganger når det skifter energinivå, er det greit å involvere en teoretisk fysiker.

For eksempel Are Raklev, som er fysikkprofessor ved UiO.

Han begynner, ikke overraskende, med grunnleggende kvantefysikk.

– Elektronene utenfor atomkjernen befinner seg i ulike baner de kan flytte seg mellom. Når elektronet får tilført energi kan det bytte bane, altså hoppe til et høyere energinivå. Når det faller tilbake til et lavere energinivå, frigjøres denne energien.

Han forklarer at vi, ved å styre disse hoppene mellom ulike energinivå, kan bruke atomklokker til å måle tid.

Hvis vi tilfører cesiumatomet energi, for eksempel i form av radiobølger, kan vi fremprovosere denne elektronforflytninga. Så kan atomklokka justere frekvensen på radiobølgene den sender tilbake sånn at det får samme frekvens som cesiumatomets vibrasjoner.

Atomklokka vet at cesiumatomet alltid vibrerer 9.192.631.770 ganger i sekundet, og når radiobølgene som kommer tilbake fra atomet har nøyaktig samme frekvens er det bare å begynne å telle.

Verdenstid på dugnad

De beste cesiumklokkene har en nøyaktighet som tilsvarer ett sekund feil på 150 millioner år. En feilmargin de aller fleste av oss vil regne som godt innafor det akseptable.

Justervesenet er ikke de fleste av oss. Det er et statlig organ som blant annet er med på å vedlikeholde og sikre nøyaktigheten av verdens legale tid, universaltiden UTC, med flere atomur.

Den koordinerte universaltida UTC, verdens felles forståelse av hva klokka er, er nemlig et dugnadsprosjekt.

Sånn ser verdensdugnaden UTC ut

400 hyperpresise klokker rundt omkring i verden sender data til Det internasjonale byrå for mål og vekt (BPIM) i Paris, som sitter på den endelige fasiten på det evige spørsmålet hva er klokka?

Harald Hauglin er fagansvarlig for tid og frekvens hos Justervesenet - den norske sjefen for tid. Han starter samtalen med å stille et litt annet spørsmål, nemlig hva gjør en klokke god?, før han selv svarer:

• Den tikker med høyest mulig takt
• Den er minst mulig påvirka av ytre faktorer
• Den kan lages i mest mulig identiske eksemplarer

Og konkluderer:

– Ja, vi trenger en ny definisjon av sekundet. Det er i lengden uholdbart at nøyaktigheten til de beste klokkene er begrenset av en definisjon knyttet til en dårligere teknologi.

Og da har vi kommet til kjernen

Men hva kan være mer presist enn ei atomklokke? Jo, ei atomKJERNEklokke.

Forskere ved Isolde-eksperimentet på CERN klarte i fjor å måle energiforskjellene i atomkjernen til Thorium-229.

Og nylig viste forskere ved University of Colorado og Universitetet i Wien hva denne kunnskapen kan brukes til:

Det vil være mulig å lage klokker som fungerer på omtrent samme måte som atomklokka: stråling inn, synkronisere stråling med atomets frekvens, telle sekunder.

Greia er at vi nå forholder oss til atomets kjerne, som er mye mindre påvirka av ytre faktorer enn elektronskyen rundt.

I tillegg har ei sånn klokke høyere frekvens, noe som betyr at den tikker med høyere takt.

Der atomklokka har en feilmargin på ett sekund per 150 millioner år er tilsvarende tall for atomkjerneklokka ett sekund per 300 milliarder år.

På toppen av det hele, og det er viktig for Hauglin og Justervesenet, det tar mye kortere tid å synkronisere atomkjerneklokkene med hverandre, noe som gjør verdenstiddugnaden langt enklere.

Det er Generalkonferansen for mål og vekt – CGPM – som kan vedta en ny definisjon av sekundet. Både Raklev og Hauglin regner med at den nye definisjonen blir vedtatt nå som vi har teknologi til det, men det kommer ikke til å skje før tidligst i 2030.

Men hva skal vi bruke all denne presisjonen til?

En ny verden

Du vet sånn omtrent hvor langt et sekund er, men hvor langt er egentlig et nanosekund?

Det vet Harald Hauglin, og snart vet du det også.

– Et nanosekund er 30 centimeter.

Dette høres kanskje like fornuftig ut som å si to kilo er lilla, men det viser bare at tid og avstand i fysikken er uløselig knytta sammen gjennom formelen vei = tid ganger hastighet.

Og lyset bruker et nanosekund på å flytte seg 30 centimeter.

Ved å definere tid mer presist kan vi dermed også definere avstand og bevegelse mer presist.

Det betyr mer presise GPS-målinger, bedre forutsetninger for å varsle jordskjelv, og dermed også tsunamier, vi kan konstruere byggverk med enda større presisjon. Blant annet.

I tillegg blir det lettere for oss å avsløre om naturen er så konstant som vi tror den er, om prosesser vi har oppfatta som evig uforanderlige virkelig er nettopp det.

Og det har Are Raklev tenkt å dra nytte av.

– For oss teoretiske fysikere åpner det seg en helt ny verden.

Raklev, og mange med ham, er på jakt etter ting vi ikke vet hva er.

Mørk materie. Mørk energi.

– Disse kjernene som oppfører seg utrolig presist, hvis vi vet nøyaktig hvor presist de oppfører seg gjør det letejobben enklere.

Fortsatt er ett sekund er tiden det tar for et cesium-133-atom å vibrere nøyaktig 9.192.631.770 ganger når det skifter energinivå.

Men om ikke lenge er det sannsynligvis noe helt annet.