Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Urhistorien

Hvad er klokken? Kig på dit elektroniske ur, og få et klart svar – måske får det endda signaler fra det ultrapræcise atomur i Frankfurt. Sådan har det ikke altid været. I urets historie har videnskabsmænd og håndværkere bakset med tunge sten, tandhjul, tabt tid, penduler og faglige uenigheder. Museumsinspektør Hans Buhl fra Steno Museet giver her et indblik i urets historie.

År 1200

Det mekaniske ur: Tyngdekraften leverer energien

I 1200-tallet begynder munkene i nogle klostre at eksperimentere med at bygge mekaniske ure. Man kunne godt bygge maskiner med tandhjul, der blev trukket rundt af et lod. Men det er først, da man opfinder det såkaldte hæmværk, der regulerer loddets bevægelse mod jorden, at man får en nogenlunde regelmæssig gang. Det mekaniske ur var dog ikke særlig præcist og kunne nemt gå en time galt i døgnet. Typisk havde man et solur ved siden af, som man så stillede det mekaniske ur efter.

 

År 1600

Penduluret: Mindre tabt tid

Omkring 1600 opdager Galilei, at et penduls svingningstid afhænger af, hvor langt det er. Galilei foreslår selv, at man kan styre et ur med pendulets regelmæssige gang, men det bliver den hollandske fysiker Huygens, der i 1656 bygger verdens første pendulur. Pendulets veldefinerede svingning betyder, at man nu kan lave ure, der kun taber/vinder cirka et minut per døgn.

 

År 1714

Kronometret: Svingende fjedre

Penduluret var et væsentligt fremskridt, men det har ét stort minus: Det virker ikke på skibe, hvor pendulets svingning konstant forstyrres af skibets vippen. Og det var vigtigt med et præcist ur for at kunne bestemme sin position. Derfor udlover det engelske parlament i 1714 en stor pris til den, som kan opfinde en ny metode til at måle tiden. Den engelske snedker og urmager John Harrison løser opgaven: Han opfinder kronometret, hvor svingningerne, der skal styre uret, leveres af en lille spiralfjeder, som hele tiden strammes og løsnes igen. Harrison får dog ikke sin pris i første omgang – bedømmelseskomitéen bestod mestendels af astronomer, der hellere så, at man brugte astronomiske metoder til at bestemme tiden. Først da den engelske konge griber ind, får Harrison sin pris.

 

År 1920

Kvartsuret: Svingende krystaller

I 1920’erne opdager radioingeniører, at kvartskrystaller begynder at vibrere mange tusinde gange i sekundet, hvis man sætter en spænding over dem. Ret hurtigt blev denne effekt udnyttet i elektriske ure. Men det var store, klodsede apparater med radiorør. Først i 1969 kunne man takket være udviklingen af mikroelektronik købe et armbåndsur styret af kvartskrystallers svingninger.

 

År 1950

Atomuret: Verdens mest præcise ur

Man kan også bruge svingningerne i atomer til at styre et ur. I 1950’erne lykkes det forskellige fysikere at realisere denne idé. Derved skaber de verdens hidtil mest præcise ur. Moderne atomure skal bruge millioner af år på at tabe eller vinde et sekund. De er imidlertid yderst komplekse og kræver konstant nedkøling, så de er ikke hvermandseje. I stedet udsender man med radiosendere, blandt andet i Frankfurt, atomurenes tidssignaler, så de kan hjælpe vores billige armbånds-, køkken- og vækkeure med at vise den helt rigtige tid.

 

nu

Skudsekunder: Vi justerer atomtiden efter soltiden

I gamle dage stillede vi urene efter Solen og dermed dybest set efter Jordens egen rotation. Atomurene er i dag så præcise, at vi kan se, at Jorden ikke roterer regelmæssigt. Store jordskælv som for eksempel det i Thailand i 2004 forstyrrer Jordens rotation. Dette tager atomuret ikke højde for, men det dur jo ikke, hvis atomtiden og soltiden ikke følges ad. Så når Jordens rotation kommer mere end et halvt sekund bagud i forhold til atomtiden, justerer man derfor atomuret med et sekund: et skudsekund.

 

Hvor er den rigtige tid?

Vi kan i dag måle tiden ekstremt nøjagtigt ved hjælp af atomure. Men hvad er egentlig den »rigtige« tid – er det, når atomuret udsender radiobølgerne, eller er det, når vores ure modtager signalerne? Selvom radiobølgerne bevæger sig med lysets hastighed, er der alligevel en målbar forsinkelse. Dette samtidighedsproblem oplever vi også hver gang, vi ser et satellittransmitteret interview fra for eksempel USA. Det viser, at det måske slet ikke giver mening at tale om samme tid to forskellige steder. Det er blandt andet det, Einsteins relativitetsteori handler om.


Et ur i bevægelse går langsommere set i forhold til et ur i hvile

Einsteins berømte relativitetsteori siger grundlæggende, at tid og rum er relative. En af konsekvenserne af relativitetsteorien er, at et ur i bevægelse går langsommere set i forhold til et ur i hvile. Denne konsekvens har givet anledning til det såkaldte tvillingeparadoks, der ikke er et paradoks, men hedder sådan, fordi det umiddelbart virker som et paradoks.
Vi forestiller os, at du har en tvillingebror. Du udstyrer ham med et ur og en tilpas kraftig rumraket og sender ham ud i rummet med en fart, der er sammenlignelig med lysets. Nu går hans ur langsomt, idet han bevæger sig hurtigt væk – og tilsvarende på tilbageturen. Dette resulterer i, at han ved det glædelige gensyn 10 år senere (målt med dit ur) kun er blevet fem år ældre. Det virker måske underligt, men det er endnu ikke et paradoks.
Men hvad nu, hvis vi ser det fra hans perspektiv? Så er det dig, der bevæger dig væk, og dit ur går langsomt set for ham, og så optræder paradokset. Der kan kun være ét resultat – enten er hans ur bagefter, foran eller enslydende med dit, når I mødes igen – hvad er svaret?
Grunden til, at der ikke er et paradoks, er, at din tvillingebror under sin rejse er nødt til at accelerere for at kunne vende sit rumskib, så han kan komme tilbage. Han vil altså under afrejsen, kursændringen og hjemkomsten blive påvirket af målelige kræfter, hvorimod du kan forblive i hvile.
Denne forskel i kraftpåvirkning bryder symmetrien mellem dit og hans system og gør det lettest at beskrive fra dit synspunkt. Og det er netop, hvad den første version ovenfor gør. Derimod laver man en fejl i den anden version, når man siger: »Nu bevæger du dig væk, og dit ur går langsomt set for ham.« Man benytter hans kraftpåvirkede system, som om ingen kræfter virker, og så går det galt: En acceleration svarer til et tyngdefelt, hvori uret går langsomt set udefra. Regnes der rigtigt på accelerationen, fås det korrekte svar, at din tvillingebror kommer hjem yngre end dig selv.
Nu kan det jo endnu ikke lade sig gøre at sende mennesker ud i rummet med en fart tæt på lysets, men i 1971 udførte amerikanerne Keating og Hafele et lignende eksperiment. De sendte fire atomure med almindelige rutefly to gange Jorden rundt og observerede, om urenes gang var påvirket som forudsagt af relativitetsteorien i forhold til stillestående ure. Inden for målenøjagtigheden passede teori og måling perfekt! Der er altså ingen tvivl: Et atomur i bevægelse går langsomt. Og da ethvert ur (inklusive dine aldringsprocesser) til syvende og sidst stammer fra atomernes »tikken«, ældes man langsommere (set for andre) ved at bringe sig i bevægelse.


Af Ulrik I. Uggerhøj, lektor i fysik og astronomi
Teksten er et uddrag af artiklen »Relativistiske eksperimenter« fra magasinet Aktuel Naturvidenskab, nr. 2, 2005.
Læs hele artiklen på www.aktuelnaturvidenskab.dk/relativitetsteori