Die Physiker haben eine Atomuhr entwickelt, die so genau ist, dass sie in 14 Milliarden Jahren um weniger als eine Sekunde abweicht. Diese Genauigkeit und Präzision machen es zu mehr als nur einer Uhr. Es ist ein leistungsstarkes wissenschaftliches Instrument, mit dem Gravitationswellen gemessen, die Gravitationsform der Erde gemessen und möglicherweise sogar dunkle Materie erfasst werden kann.
Wie haben sie das gemacht?
Physiker am Nationalen Institut für Standards und Technologie sagen, dass ihre neue Atomuhr auf dem Seltenerdelement Ytterbium basiert. Sie verwenden ein Gitter aus Laserstrahlen, das als optisches Gitter bezeichnet wird, um 1000 Ytterbiumatome einzufangen. Die Atome „ticken“ natürlich, indem sie zwischen zwei Energieniveaus wechseln. Diese Aktion wird als Atomelektronenübergang bezeichnet und es dauert Nanosekunden, bis sie auftritt. Jedes Mal, wenn sie ticken oder Energieniveaus ändern, senden die Elektronen Mikrowellenenergie aus, die erfasst werden kann. Die NIST-Physiker haben zwei dieser Ytterbiumuhren gebaut und durch ihren Vergleich eine Rekordleistung erzielt.
Diese Rekordleistung wird auf drei Arten gemessen:
- Systematische Unsicherheit: So gut repräsentiert die Uhr die natürlichen Schwingungen der Ytterbiumatome. Die Ytterbium-Uhr war nur um ein Milliardstel von einem Milliardstel versetzt.
- Stabilität: So stark ändert sich die Frequenz der Uhr in einer bestimmten Zeit. In diesem Fall haben sie ihre Ytterbiumuhr gemessen und sie hat sich über einen Tag nur um 0,00000000000000000032 geändert.
- Reproduzierbarkeit: Hiermit wird gemessen, wie genau zwei Ytterbiumuhren mit derselben Frequenz ticken. In 10 Vergleichen zwischen den beiden Uhren betrug der Unterschied erneut weniger als ein Milliardstel eines Milliardstels.
"Systematische Unsicherheit, Stabilität und Reproduzierbarkeit können als" Royal Flush "der Leistung dieser Uhren angesehen werden", sagte Projektleiter Andrew Ludlow in einer Pressemitteilung. "Die Übereinstimmung der beiden Uhren auf dieser beispiellosen Ebene, die wir Reproduzierbarkeit nennen, ist vielleicht das wichtigste Einzelergebnis, da sie im Wesentlichen die beiden anderen Ergebnisse erfordert und begründet."
Einstein hat uns gezeigt, dass die Zeit je nach Schwerkraft, der Sie ausgesetzt sind, unterschiedlich vergeht. Das Ticken der Atome in einer Atomuhr wird verlangsamt, wenn es in stärkerer Schwerkraft beobachtet wird. Auf dem Gipfel des Berges. Die Zeit des Everest zum Beispiel bewegt sich schneller als am Grund des Marianengrabens. Das liegt daran, dass hier auf der Erde die Schwerkraft im Zentrum des Planeten konzentriert ist. Je weiter Sie vom Zentrum entfernt sind, desto weniger Schwerkraft ist vorhanden. Der Effekt ist nicht groß, vielleicht nur Millionstelsekunden. Aber es ist da. Das scheint irgendwie kontraintuitiv zu sein, aber das hat Einstein gezeigt, und er hat sich als richtig erwiesen.
Das Außergewöhnliche an dieser neuen Atomuhr ist, dass aufgrund ihrer nachgewiesenen Reproduzierbarkeit der Fehler der Uhr unter unserer Fähigkeit liegt, den Gravitationseffekt auf die Zeit hier auf der Erde zu erfassen.
Der NIST-Physiker Andrew Ludlow erklärt dies folgendermaßen: „… die nachgewiesene Reproduzierbarkeit zeigt, dass der Gesamtfehler der Uhren unter unsere allgemeine Fähigkeit fällt, den Einfluss der Schwerkraft auf die Zeit hier auf der Erde zu berücksichtigen. Wenn wir uns Uhren wie diese vorstellen, die im ganzen Land oder auf der ganzen Welt eingesetzt werden, wäre ihre relative Leistung zum ersten Mal durch die Gravitationseffekte der Erde begrenzt. “
Die Physiker sagen, dass wir jetzt, da wir eine Uhr haben, deren Genauigkeit größer ist als der Gravitationseffekt auf die Zeit, die Uhr verwenden können, um die Gravitationsform der Erde zu messen. Die übliche Methode zur Messung der Gravitationsform der Erde ist die Messung ihrer Gezeiten. Weltweit platzierte Gezeitenmesser werden verwendet, ihre Genauigkeit beträgt jedoch nur einige Zentimeter. Die neuen Uhren könnten diese Genauigkeit auf weniger als einen Zentimeter senken.
Tatsächlich können diese Ytterbiumuhren verwendet werden, um viel mehr als die Gravitationsform der Erde zu messen. Sie können verwendet werden, um die Raumzeit selbst zu messen und Gravitationswellen aus dem frühen Universum zu erfassen. Es ist möglich, dass sie sogar dunkle Materie messen können. Bei dieser Genauigkeit und Präzision ist dieses Instrument viel mehr als nur eine Uhr.
Es ist nicht nur die Schwerkraft, die eine Uhr wie die Ytterbiumuhr beeinflussen kann. Andere Umwelteinflüsse können die Genauigkeit des Geräts beeinträchtigen. Sie müssen gekühlt und von elektrischen Streufeldern isoliert werden. Die neuen Uhren sind gegen elektrische und Wärmeeffekte abgeschirmt, damit sie berücksichtigt und korrigiert werden können.
Mit Verbesserungen wie elektrischer und thermischer Abschirmung bauen die Physiker tragbare Ytterbiumuhren, die zu verschiedenen Labors transportiert werden können, um andere Uhren zu messen und zu vergleichen. Sie könnten auch an andere Orte verlegt werden, um relativistische Geodäsietechniken zu studieren. Dies wäre ein Grundpfeiler, denn derzeit sind unsere besten Atomuhren raumgroße, sogenannte „Brunnenuhren“, die das Cäsiumatom verwenden, um die zweite zu definieren.
Aber das könnte sich mit den neuen Uhren ändern.
Bisherige Atomuhren basieren auf dem Element Cäsium, das bisher die genaueste verfügbare Zeitmessung lieferte. Die Schwingung des Cäsiumatoms wird seit den 1960er Jahren verwendet, um die Dauer einer einzelnen Sekunde im Internationalen Einheitensystem (ISU) zu definieren. Aber mit der Entwicklung der Ytterbium-Uhr könnte die Zeit des Cäsiums abgelaufen sein.
Die erste Cäsiumuhr wurde 1955 gebaut und ist seitdem der Goldstandard. Die offizielle Definition der zweiten wird, wenn Sie interessiert sind, seit 1967 verwendet. Sie besagt: „Die zweite ist die Dauer von 9 192 631 770 Strahlungsperioden, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des Bodens entsprechen Zustand des Cäsium-133-Atoms. “ 1997 wurde klargestellt, dass das Cäsium bei 0 Kelvin liegen musste.
Andere Atomuhren wurden aus Rubidium hergestellt, das tragbar gemacht werden kann. Sie sind nicht so genau wie Cäsium, aber gut genug für Anwendungen wie GPS, Basisstationen für Mobiltelefone und zur Steuerung der Frequenz von Fernsehsendern. Aber mit der Entwicklung der neuen Atomuhr unter Verwendung des Ytterbiumatoms haben wir möglicherweise das Beste aus beiden Welten: beispiellose wissenschaftliche Genauigkeit und Portabilität.
Die neue Ytterbium-Atomuhr ist ein führender Kandidat für die Neudefinition der Definition, wie lange eine Sekunde dauert. Dies liegt daran, dass es die vom Internationalen Einheitensystem festgelegte Genauigkeitsschwelle erfüllt. Dieser Körper sagte, dass jede neue Definition eine 100-fache Verbesserung der validierten Genauigkeit gegenüber den Cäsiumuhren erfordern würde, die derzeit zur Definition der zweiten verwendet werden.
Früher haben wir die Zeit durch die Rotation der Erde definiert, aber seitdem haben wir einen langen Weg zurückgelegt. Eine Atomuhr, die die Tickrate eines Seltenerdelements verwendet, um die Gravitationsform der Erde, Gravitationswellen aus dem frühen Universum und vielleicht sogar dunkle Materie zu messen, ist etwas, das sich kein historischer Mensch jemals hätte vorstellen können, wenn er einen Stock hineingesteckt hätte der Boden, um eine Sonnenuhr zu machen.
- Pressemitteilung: NIST-Atomuhren halten jetzt die Zeit gut genug, um Erdmodelle zu verbessern
- Forschungsbericht: Atomuhrleistung jenseits der geodätischen Grenze
- MIT News: Atomic Timekeeping für unterwegs
- Wikipedia: Atomuhr
- Wikipedia: Cäsium Standard
- Wikipedia: Atomelektronenübergang
