Forskere i Kina har utviklet en av de mest presise klokkene som noen gang er laget. Presisjonen er så høy at den på sikt kan bidra til at forskere offisielt endrer hvordan et sekund defineres.
Klokken er en såkalt strontium-basert optisk gitterklokke. Den kan i praksis måle tid med en presisjon ned på 19 desimaler. I teorien betyr det at om klokken gikk kontinuerlig i 30 milliarder år, ville den bare avvike med rundt ett sekund.
Slik nøyaktighet har frem til nylig vært utenfor rekkevidde, men regnes nå som et viktig steg mot et langsiktig mål: å oppdatere den offisielle definisjonen av sekundet i løpet av det neste tiåret.
Flere krav må oppfylles før sekundet kan endres
Før en ny definisjon kan vedtas, må flere kriterier være oppfylt. Ett av dem er at minst tre optiske klokker som baserer seg på samme type «tikk», og som oppnår et gitt nivå av presisjon og stabilitet, må være i drift ved ulike institusjoner.
Ifølge forskerne oppfyller den nye optiske klokken disse kravene. I tillegg til mer nøyaktig tidtaking kan teknologien også brukes til forskning på mørk materie og til å måle små forskjeller i Jordens gravitasjonsfelt.
Fra soltid til atomtid
Opprinnelig var sekundet definert som en brøkdel av et døgn, nærmere bestemt 1/86.400 av en dag. Det følger av at et døgn deles i 24 timer, hver time i 60 minutter og hvert minutt i 60 sekunder.
Dette fungerer som en grov rettesnor, men er ikke presist nok for moderne vitenskap og industri. Problemet er at et «døgn» ikke er helt konstant: Jordens rotasjon varierer litt over tid av mange ulike årsaker. Dersom sekundet fortsatt var direkte knyttet til døgnet, ville også sekundets lengde i praksis variere.
Med atomklokker kunne forskere i stedet definere tid ut fra stabile egenskaper i naturen. Derfor har sekundet siden 1967 vært definert i SI-systemet som nøyaktig 9.192.631.770 svingninger i cesium-133-atomet.
Optiske klokker tikker langt raskere
Cesium-standarden er svært presis, men den kan forbedres. Atomer som strontium svinger ved frekvenser i det synlige lyset. Det gir rundt 700 billioner «tikk» i sekundet, sammenlignet med cesium som ligger på rundt 9 milliarder. Når man kan telle langt flere tikk per sekund, kan man også måle tid mer presist.
Optiske klokker kan dermed nå presisjoner i størrelsesorden 10-18 sekunder.
Oppgraderinger ved USTC
I en ny studie beskriver forskere ved University of Science and Technology of China oppgraderinger av universitetets strontiumbaserte optiske klokke. Endringene skal ha redusert usikkerheten til 9,2 × 10-19 og forbedret stabiliteten til 6,3 × 10-19.
– Denne ytelsen oppfyller kravet om 2 × 10-18 nøyaktighet for én enkelt klokke ved en omdefinering av SI-sekundet, med mulige anvendelser innen relativistisk geodesi og høyoppløselige søk etter mørk materie, skriver forskerne i artikkelen.
Veien mot en ny definisjon
Forskergruppen peker på at to andre strontiumbaserte optiske klokker allerede har passert tilsvarende milepæler. I tillegg finnes det svært presise klokker som måler tid ved hjelp av aluminiumioner. Når flere slike ultra-presise klokker tas i bruk ved ulike institusjoner, kan kriteriene for en offisiell omdefinering av sekundet etter hvert bli oppfylt.
Slike beslutninger tas av Generalkonferansen for mål og vekt, som møtes hvert fjerde år. Neste møte er planlagt i oktober i år, men forskerne mener at det foreløpig ikke har vært tilstrekkelig fremgang til at en ny definisjon kan avgjøres allerede da.
I stedet arbeides det videre med sikte på et forslag som kan legges frem på konferansens 29. møte i 2030, sammen med et forslag til når en eventuell ny definisjon skal innføres.
Studien er publisert i tidsskriftet Metrologia.
