Hva er egentlig tid? Fysikkens svar fra relativitetsteorien til kvantegravitasjon, og hvordan Justervesenet bidrar til at Norge har presis, sporbar tid.
Innhold i artikkelen (6)
Tid — fysikkens største gåte
Hva er tid? Vi kan måle den og vi opplever at den går, men fysikken har ikke noe endelig svar på hva den egentlig er. Det vi vet, er at tid ikke er den universelle konstanten den fremstår som i hverdagen.
Ifølge den spesielle relativitetsteorien går tiden langsommere på legemer som beveger seg enn på legemer i ro, og ifølge den generelle relativitetsteorien går den langsommere langt nede i et gravitasjonsfelt enn høyt oppe, forklarer professor emeritus i fysikk Øyvind Grøn i Store norske leksikon.
Denne artikkelen går gjennom hva fysikken sier om tid, fra relativitetsteori til kvantegravitasjon, og viser hvordan Norge konkret arbeider med tid gjennom Justervesenets nasjonale tidslaboratorium.
Relativitetens revolusjon
Albert Einsteins relativitetsteori endret hvordan fysikken ser på tid. I stedet for én absolutt tid som er lik for alle, avhenger tiden som måles av hastighet og gravitasjon. Formelen for tidsforlengelsen viser at en klokke i bevegelse tikker saktere enn en klokke i ro, og at tidsintervallet går mot uendelig når hastigheten nærmer seg lyshastigheten (Store norske leksikon).
Effekten er målt. Ustabile elementærpartikler har lengre levetid når de beveger seg raskt enn når de er i ro, og den gravitasjonelle tidsforskjellen ble første gang målt av Pound og Rebka i 1960 (Store norske leksikon).
Relativitetsteorien er en klassisk teori som ikke inneholder kvantemekaniske effekter. Hva som skjer med tid helt nede på kvantenivå, er derfor fortsatt et åpent spørsmål.
Tid i kvantefysikkens område
I kvantemekanikken kan et fysisk system befinne seg i flere tilstander samtidig, en såkalt superposisjon, og systemet antar bare én bestemt tilstand når man utfører en måling (Store norske leksikon om superposisjon).
En av fysikkens største utfordringer er å forene gravitasjon, slik den beskrives i generell relativitetsteori, med kvantemekanikken. Det eksisterer ennå ikke noen allment akseptert teori for kvantegravitasjon, men det foregår betydelig internasjonal forskning på området (Store norske leksikon om kvantegravitasjon).
Kvanteeffekter forventes å bli viktige for gravitasjon først ved plancktiden, om lag 10 opphøyd i minus 43 sekunder, som tilsvarer universets aller første øyeblikk (Store norske leksikon). Plancktiden er tiden det tar lys å tilbakelegge en plancklengde, og regnes som tidens minste udelelige enhet (Det Norske Akademis ordbok).
Tall og trender
Justervesenets nasjonale tidslaboratorium har fem atomur, to hydrogen-masere og tre cesiumklokker, og sender hvert femte døgn tidssignaler til Det internasjonale byrået for mål og vekt (BIPM) i Paris, som beregner den globale tidsskalaen UTC (Justervesenet). Avvikene mellom Justervesenets klokker og UTC er ofte bare noen få nanosekunder (samme kilde).
Hvordan påvirker tidsforskningen livet ditt?
GPS bygger på tid. Avstanden til hver satellitt beregnes ut fra hvor lang tid radiosignalet bruker, og derfor har satellittene flere atomur ombord (Store norske leksikon om GPS). En tidsfeil på ett nanosekund gir en posisjonsfeil i størrelsesorden 30 centimeter, og klokkene har tyngdekrafts- og bevegelsesbetingede frekvensskift som er så store at systemet ikke ville fungert uten å ta hensyn til relativistiske effekter, ifølge Neil Ashbys gjennomgang i Living Reviews in Relativity.
Atomklokker i satellitter gir også nøyaktig tidssynkronisering som er avgjørende for posisjonsbestemmelse, men signalene er sårbare for forstyrrelser. Justervesenet har utviklet en GNSS-simulator som kan sende ut falske satellittsignaler i testsammenheng, blant annet brukt i Jammertest, og arbeidet med å forfalske satellittbaserte tidssignaler startet med bistand fra Statnett (Justervesenet).
Norsk tid er definert i loven: normaltiden er én time foran UTC (UTC+1), og sommertiden to timer foran (UTC+2). Skuddsekund brukes for å holde UTC i takt med jordrotasjonen, og det siste ble lagt til i overgangen mellom 2016 og 2017 (Justervesenet).
Sekundet: tidens målestokk
I SI-systemet er sekundet definert som varigheten av 9 192 631 770 perioder av strålingen som svarer til overgangen mellom de to hyperfine nivåene i grunntilstanden for cesiumatomet 133 (Store norske leksikon). Det er denne definisjonen atomurene, også Justervesenets, bygger på.
Emner
