Physiker haben ein . entwickelt Atomuhr so genau, dass es in 14 Milliarden Jahren um weniger als eine Sekunde davon abweichen würde. Diese Art von Genauigkeit und Präzision macht sie zu mehr als nur einem Zeitmesser. Es ist ein leistungsstarkes wissenschaftliches Instrument, das Gravitationswellen messen, die Gravitationsform der Erde messen und vielleicht sogar dunkle Materie erkennen kann.
Wie haben Sie das geschafft?
Der „Royal Flush“ der Uhrleistung
Physiker an der Nationales Institut für Standards und Technologie sagen, ihre neue Atomuhr basiert auf dem Seltenerdelement Ytterbium. Sie verwenden ein Gitter aus Laserstrahlen, das als optisches Gitter bezeichnet wird, um 1000 Ytterbium-Atome einzufangen. Die Atome „ticken“ von Natur aus, indem sie zwischen zwei Energieniveaus wechseln. Diese Aktion heißt atomarer Elektronenübergang , und es dauert Nanosekunden. Jedes Mal, wenn sie ticken oder das Energieniveau ändern, senden die Elektronen Mikrowellenenergie aus, die nachgewiesen werden kann. Die NIST-Physiker haben zwei dieser Ytterbium-Uhren gebaut und im Vergleich eine rekordverdächtige Leistung erzielt.
Diese Rekordleistung wird auf drei Arten gemessen:
- Systematische Unsicherheit: So gut bildet die Uhr die Eigenschwingungen der Ytterbium-Atome ab. Die Ytterbium-Uhr war nur um ein Milliardstel von einem Milliardstel daneben.
- Stabilität: Dies ist, wie stark sich die Frequenz der Uhr in einer bestimmten Zeit ändert. In diesem Fall haben sie ihre Ytterbium-Uhr gemessen und sie hat sich über einen Tag nur um 0,00000000000000000032 geändert.
- Reproduzierbarkeit: Diese misst, wie eng zwei Ytterbium-Uhren mit derselben Frequenz ticken. Bei 10 Vergleichen zwischen den Uhrenpaaren betrug die Differenz wiederum weniger als ein Milliardstel eines Milliardstels.
„Systematische Unsicherheit, Stabilität und Reproduzierbarkeit können als der ‚Royal Flush‘ der Leistung dieser Uhren angesehen werden“, sagte Projektleiter Andrew Ludlow in a Pressemitteilung . „Die Übereinstimmung der beiden Uhren auf diesem beispiellosen Niveau, das wir als Reproduzierbarkeit bezeichnen, ist vielleicht das wichtigste Einzelergebnis, weil es im Wesentlichen die beiden anderen Ergebnisse erfordert und begründet.“
Atomuhren sind seit Jahrzehnten im Einsatz. Dieses Bild zeigt Atomuhrenbänke am US Naval Observatory, die zur Definition des Zeitstandards für das US-Verteidigungsministerium verwendet wurden. Bild: Von US Naval Observatory – http://tycho.usno.navy.mil/gif/clockvaults.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5538835
Uhren, Schwerkraft und Relativität
Das hat uns Einstein gezeigt die zeit vergeht anders abhängig von der Schwerkraft, der Sie ausgesetzt sind. Das Ticken der Atome in einer Atomuhr wird bei stärkerer Schwerkraft verlangsamt. Auf dem Gipfel des Mt. Everest zum Beispiel vergeht die Zeit schneller als auf dem 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 geringer ist die Schwerkraft. 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 ihre nachgewiesene Reproduzierbarkeit bedeutet, dass der Fehler der Uhr unter unserer Fähigkeit liegt, den Gravitationseffekt auf die Zeit hier auf der Erde zu erkennen.
Physiker des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben eine Atomuhr basierend auf dem Element Ytterbium entwickelt, die die Leistungsmaßstäbe für Atomuhren gebrochen hat. Physiker Andrew Ludlow abgebildet. Bildquelle: Burrus/NIST
NIST-Physiker Andrew Ludlow erklärt es so: „… 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 erklären. Da wir uns daher vorstellen, dass Uhren wie diese im ganzen Land oder auf der 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, die Gravitationsform der Erde zu messen, besteht darin, ihre Gezeiten zu messen. Weltweit werden Gezeitenmesser verwendet, deren Genauigkeit jedoch nur bei einigen Zentimetern liegt. Die neuen Uhren könnten diese Genauigkeit auf weniger als einen Zentimeter reduzieren.
Tatsächlich sind diese Ytterbium Uhren können 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 erkennen. Möglicherweise könnten sie sogar dunkle Materie messen. Bei dieser Genauigkeit und Präzision ist dieses Instrument viel mehr als nur eine Uhr.
Eine tragbare, bahnbrechende Atomuhr
Es ist nicht nur die Schwerkraft, die eine Uhr wie die Ytterbium-Uhr beeinflussen kann. Andere Umwelteinflüsse können die Genauigkeit des Geräts beeinträchtigen. Sie müssen gekühlt und von elektrischen Streufeldern isoliert werden. Die neuen Uhren sind vor elektrischen und thermischen Einflüssen abgeschirmt, damit sie berücksichtigt und korrigiert werden können.
Mit Verbesserungen wie der elektrischen und thermischen Abschirmung bauen die Physiker tragbare Ytterbium-Uhren, die in verschiedene 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 Wendepunkt, denn derzeit sind unsere besten Atomuhren raumgroße, sogenannte „Brunnenuhren“, die das Cäsiumatom verwenden, um die Sekunde zu definieren.
Aber das könnte sich mit den neuen Uhren bald ändern.
Auf Wiedersehen Cäsium, Hallo Ytterbium
Bisherige Atomuhren basieren auf dem Element Cäsium, das die bisher genaueste 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 für Cäsium abgelaufen sein.
Die erste Cäsiumuhr wurde 1955 gebaut und ist seitdem der Goldstandard. Die offizielle Definition der zweiten ist, wenn Sie interessiert sind, seit 1967 in Gebrauch. Sie besagt: „Die zweite ist die Dauer von 9 192 631 770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des Bodens entspricht Zustand des Cäsium-133-Atoms.“ 1997 stellten sie dann klar, dass das Cäsium bei 0 Kelvin liegen muss.
Die weltweit erste Cäsium-Atomuhr wurde 1955 am britischen National Physical Laboratory gebaut. Seitdem wird sie verwendet, um die Länge einer Sekunde zu bestimmen. Bild: Von National Physical Laboratory – http://www.npl.co.uk/upload/img/essen-experiment_1.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid= 5543813
Andere Atomuhren wurden mit Rubidium gebaut, das tragbar gemacht werden kann. Sie sind nicht so genau wie Cäsium, aber gut genug für Anwendungen wie GPS, Mobilfunk-Basisstationen und zur Frequenzkontrolle von Fernsehsendern. Aber mit der Entwicklung der neuen Atomuhr, die das Ytterbium-Atom verwendet, haben wir vielleicht das Beste aus beiden Welten: beispiellose wissenschaftliche Genauigkeit und Portabilität.
Die neue Ytterbium-Atomuhr ist ein führender Kandidat, um die Definition der Länge einer Sekunde neu zu definieren. Das liegt daran, dass es die vom Internationalen Einheitensystem definierte Genauigkeitsschwelle erfüllt. Diese Stelle sagte, dass jede neue Definition eine 100-fache Verbesserung der validierten Genauigkeit gegenüber den Cäsiumuhren erfordern würde, die derzeit zur Definition der Sekunde 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, hätte sich kein historischer Mensch jemals vorstellen können, wenn er einen Stock hineinsteckte den Boden, um eine Sonnenuhr zu machen.
Quellen:
- Pressemitteilung: NIST-Atomuhren halten die Zeit jetzt gut genug, um Modelle der Erde zu verbessern
- Forschungsbericht: Atomuhrleistung jenseits der geodätischen Grenze
- MIT News: Atomzeitmessung für unterwegs
- Wikipedia: Atomuhr
- Wikipedia: Cäsiumstandard
- Wikipedia: Atomarer Elektronenübergang
