Sjovt nok så handlede vores allerførste afsnit om Tid og Tidsrejser (29.01.2018). Og nu tager vi lige et deep-dive tilbage til selvsamme tema.

Karina’s noter til dagens afsnit:

Tid - Målinger:

Vi lever i en synkroniseret liv og tid er over det hel og en vigtig del af vores opfattelse af virkeligheden.

Hvad er tid?

Vi kan starte med hvordan man måler den: Med et ur.

Et ur er en oscillator og noget der kan tælle svingningerne. Jo finere tidsinddelingen er, jo mere nøjagtigt kan uret være.

Solen er en oscillator. Den går op og ned og vi er dem der tæller. Nøjagtighenden er 1 svingning per dag.

Så opfandt vi pendul uret, hvor mekanik (tandhjul) tæller. Svært at bære rundt på og det skal trækkes op. Nøjagtighenden er ca. 1 svingning per sekund.

Så opfandt vi Quartz uret. Her er det Quartz krystallen der svinger/vibrer/deformerer når den er udsat for en strøm.Her er det elektronik (digital logisk system) der tæller svingningerne. Nøjagtighed: 32 768 svingninger per sekund – approx. 10^(-13)

Så kom atom uret: Cs atomer bruges her.

"A Cæsium-133 atom has a ground state with a hyperfine structure, meaning the electron can have two slightly different energy levels based on whether its spin is aligned or anti-aligned with the nuclear spin.

When hit with microwave radiation at the exact frequency of 9.192.631.770 Hz (cycles per second), the atoms transition between the lower state to the higher state. That gives us a way to tune the microwave radiation precisely and we can tune other light frequencies against that."

Med andre ord så tæller uret 9 192 631 770 cycles/flips til at definere et sekund. Det giver en nøjagtihed på ~ 10^(-16). Vi er altså ude på det 16 decimal i vores nøjagtighed af sekundet.

Dette er SI (International System of Units) definitionen af et sekund. I dag er international atomtid TAI (Temps Atomique International) givet ved middelvisningen af omkring 400 cæsiumure, der står på 50 nationale laboratorier rundt omkring i verden.

Der er planer om at lave en ny SI definition af sekundet i 2030, hvor man vil bruge et andet atom der giver en bedre nøjagtighed.

Det er der brug for. I dag i laboratorier måler man tid med en nøjagtighed på 18-20 decimaler, og så er det mærkeligt at sekundet er dårligere defineret.

Det er her i 2026 at man vil beslutte sig for hvilket atom man så vil bruge. Det skal helst være et atom der har finstruktur hvor lyset skal have mange svingninger per sekund.

En kandidat er 87^Sr som har 429000*10^9 svingninger per sekund. (Cs er 9GHz og Sr er 429 THz).

En anden kandidat er Thorium: https://www.sciencealert.com/timekeeping-is-on-the-verge-of-a-giant-leap-in-accuracy-heres-why

Man bruger lasere til disse atom ure. Elerktroner er for store og klodsede til det.

En nøjagtighed på 10^(-18) betyder at to urer der blev synkroniseret omkring 'the Big Bang' vil i dag kun være 1 sekund fra hinanden.

Hver gang nøjagtigheden er blevet bedre, er der opstået nye anvendelser, som vi ikke anede, vi havde brug for.

Rum - Tid

Universet som helhed har en universel tid, som skrider fremad, efterhånden som rummet udvider sig, men der findes også et andet tidsbegreb, nemlig den lokale tid.

Tiden løber ikke med samme samme hastighed alle steder. Du vil ikke selv mærke / måle det. Dit ur ser for dig altid ud til at gå rigtigt. Så uanset hvor i universet du sidder med dit Cs atom så giver den dig en tidsmåling som er korrekt (for dig).

Der er 2 effekter:

1) I et tyngdefelt: (gravitational time dilation)

Den ene effekt af det her er når der er tyngdekraft. Når du er i tyngdefelt, er du er et sted hvor rummet er blevet bukket. Så løber tiden langsommere, end hvis du står et sted, hvor der ikke er blevet bukket.

Altså, når jeg prøver at forestille mig det her, så lukker jeg øjnene og laver et billede i mit hoved. Jeg forestiller mig et stort netværk af af linjer. Nogen der går den ene vej og nogen der går på tværs, altså vinkelret på de første linier.
Det er sådan et helt fint og ensartet net. Der er lige langt mellem hvert eneste krydspunkt. Sådan ser jeg nettet hele vejen ud til alle sider rundt om mig og hele vejen opad, fordi det faktisk ikke bare er et stykke papir. Det er faktisk et 3D objekt der går hele vejen op og ned også. Hele rummet er pænt og flot, fordi der er lige langt i mellem hvert eneste krydspunkt over det hele.

Nu tager jeg og putter en masse ind et sted, og det vrider mine bitte små målestokke i mit fine spin. Nu er der ikke længere lige langt mellem krydspunkterne. Der er blevet hevet i det og nu er der længere imellem knudepunkterne.

Mit fine net er ikke kun rum, det er også tid og min tid løber en bestemt afstand imellem 2 knudepunkter. Nu hvor mit net er blever forvrænget af massen er tiden også blevet forvrænget. Man kan sige at et sekund er længden mellem 2 knuder. For at gøre noget abstrakt og usynligt håndgribeligt. Tiden er en fysisk størrelse, og den hører sammen med rumtiden. Og min masse har ødelagt mit flotte fine netværk. Så er du der ikke lige langt imellem knuderne. Hvor massen har hevet i mit net og der er blevet længere imellem knuderne går tiden også langsommere. Du opdager det ikke, for dig er det normalt. Dig og dit Cs atom synes alt ser normalt ud. Men jeg kigger udefra på dig, og det ligner at du bevæger dig i slow motion.

En samling masse, som fx. Jorden bukker altså rum-tiden og skaber hvad vi normalt kalder et tyngdefelt. I et tyngdefelt går tiden langsommere.

Det vil sige at på jorden går tiden langsommere i en dal end på en bjergtinde.

2) Når man bevæger sig går ens ur også langsommere: (Relativistic time dilation)

Tiden går også langsommere når man bevæger sig. Især tæt på lysets hastighed ser man en stor forskel.

Når ens tid går langsommere er det ikke noget man kan mærke. Det er fordi set indefra løber tiden altid lige hurtigt. Det er først når vi sammenligner vores ure at man kan se at tiden ikke løb lige hurtigt over det hele.

GPS-systemer er baseret på satellitter, der suser rundt om Jorden med høj fart. De bestemmer din position ud fra tidsmålinger med atomure i fire satellitter 20.200 km over jordoverfladen.

Tiden går langsommere for disse satellitter, end den gør for menneskene på Jorden. Det har man måttet kompensere for. GPS-systemet har derfor en indbygget relativistisk korrektion, så man undgår fejlmålinger.

Uden korrektion ville positionsmålingerne efter bare én dag skyde omkring 10 kilometer forkert.

Videnskab.dk har flere artikler om ti...