Sekundet er snart modent til at få en ny definition

Når vi siden 1967 har defineret et sekund som værende 9.192.631.770 perioder af strålingen af en overgang mellem to hyperfinniveauer af grundtilstanden af cæsium-133, skyldes det, at det giver en helt præcis og nøjagtig definition, som let lader sig verificere og bruge overalt på Jorden.

I tidligere tider var sekundet defineret i forhold til Jordens rotation og døgnets længde, men det giver en alt for unøjagtig og besværlig definition, da Jordens rotationsfrekvens hele tiden ændrer sig – nogle gange helt uforklarligt. Og det nytter jo ikke noget, hvis sekundet ikke har samme længde i dag som i morgen.

Men nu er optiske atomure baseret på strontiumatomer, der har en karakteristisk frekvens omkring 429 THz, blevet så pålidelige og almindelige, at man i standardiseringsorganisationer overvejer muligheden af en ny definition af sekundet. For hvorfor nøjes med at tælle godt ni milliarder perioder af en hvis længde, hvis man kan tælle mere end 1.000 gange flere perioder af en kortere længde inden for samme tidsrum og derved få en bedre præcision?

5-10 år fra et nyt sekund

Jun Ye fra forskningscenteret JILA i Boulder, Colorado, der bygger verdens bedste strontiumure, fortæller i et interview med Ingeniøren, at tiden kan blive moden til en ny definition af sekundet inden for 5-10 år, og den kan blive fastlagt ved at give en frekvensovergang i strontium eller et andet grundstof en eksakt værdi.

»Der er allerede lavet mange forsøg med at sammenkoble optiske atomure gennem optiske fibre over lange afstande,« fortæller han.

Der er dog også den mulighed, at man kan give sekundet en ny definition ved at fastlægge elektronens masse til at have en eksakt værdi. I dag er det en størrelse, som skal bestemmes eksperimentelt.

Da lysets hastighed og Plancks konstant allerede har eksakte værdier, vil det give en eksakt værdi for De Broglie-Compton-frekvensen for en elektron givet ved f=(mc2)/h, som er i størrelsesordenen 1020 Hz. Det vil dog kræve, at man også indikerer en praktisk måde at bestemme denne frekvens på.

Dette alternativ minder om den nye definition af kilogram, som blev indført for få år siden ved at tillægge Plancks konstant (h) en eksakt værdi og samtidig fastslå en elektro­mekanisk målemetode baseret på en såkaldt kibblevægt.

Det må dog anses som en mere radikal forandring end blot at skifte en cæsiumfrekvens ud med en strontiumfrekvens i definitionen af sekundet.

Atomure i 70 år

Det allerførste atomur blev bygget i USA i 1949 og udnyttede en naturlig frekvens på 23.870 MHz i ammoniakmolekylet.

I 1954 lykkedes det at opnå en forstærkning af dette frekvenssignal baseret på et teoretisk princip udviklet af Albert Einstein allerede i 1917, som længe blot havde været betragtet som en kuriositet. Verdens første maser blev bygget. Den blev seks år senere efterfulgt af den optiske pendant - laseren.

Det første atomur baseret på cæsiumatomer blev bygget i England i 1955. Cæsium er forholdsvist enkelt at arbejde med og benyttes stadig i mange atomure, dog i konkurrence med rubidium og hydrogenmasere, der udsender mikrobølgestråling med en meget ensartet og veldefineret frekvens på 1.420.405.752 hertz.

De første optiske atomure med endnu højere nøjagtighed baseret på strontiumatomer blev udviklet for omkring 20 år siden af Hidetoshi Katori fra University of Tokyo og Jun Ye – uafhængigt af hinanden.

Atomtid og skudsekunder

Data fra omkring 450 atomure verden over bruges til at definere den internationale atomtid, der betegnes TAI, som er den franske forkortelse.

Ud fra TAI definerer man koordineret universaltid UTC, så forskellen mellem UTC og TAI altid er et helt antal sekunder, samtidig med at forskellen mellem UTC og en astronomisk bestemt tid kaldet UT1 (middelsoltiden) altid er mindre end 0,9 sekund.

Da Månen langsomt fjerner sig fra Jorden, er den generelle tendens på grund af bevarelse af inertimoment, at Jordens rotationshastighed er aftagende, og UT1 derfor ændrer sig. Jordskælv og omfordelinger af masse i Jordens indre kan også ændre rotationshastigheden.

Når forskellen mellem TAI og UT1 bliver for stor, indføres et skud­sekund. I dag er UTC = TAI - 37 sekunder og UTC - UT1 er ca. 0,02 sekund.

Principielt kan man også have negative skudsekunder. Sådanne har man dog aldrig haft endnu, men muligheden herfor kan ikke længere totalt afvises. Bemærkelsesværdigt er det nemlig, at Jordens rotationshastighed de seneste år ikke er aftaget. Der har endog været tidsrum, hvor den af uafklarede årsager er øget. Fortsætter det, kan det på et tidspunkt blive nødvendigt at fjerne et sekund fra tidsregningen.

Danmark er i øvrigt et af de få højtudviklede lande, som ikke har sit eget atomur.

Det bliver der nu rådet bod på, idet Dansk Fundamental Metrologi, som Ingeniøren tidligere har omtalt, har fået til opgave at bygge og drive et dansk atomur. Det bliver baseret på en hydrogenmaser.

Hør mere i ugens podcast