Zeit ist für das Funktionieren unseres Alltags von entscheidender Bedeutung: von den Uhren an unseren Handgelenken bis zu den GPS-Systemen in unseren Telefonen. Kommunikationssysteme, Stromnetze und Finanztransaktionen alle verlassen sich auf präzises Timing. Sekunden sind die entscheidenden Maßeinheiten in der Zeitmessung.
Überraschenderweise gibt es immer noch Debatten über die Definition des zweiten Begriffs. Aber die jüngsten Fortschritte bei den genauesten Formen der Zeitmessung der Welt haben möglicherweise gerade das Spiel verändert.
Die genaue Zeitmessung war schon immer Teil der gesellschaftlichen Entwicklung der Menschheit. Am neolithischen Denkmal von Newgrange in IrlandDurch eine spezielle Öffnung über einem Eingang kann an den kürzesten Tagen des Jahres, etwa am 21. Dezember, der Wintersonnenwende, Sonnenlicht den Durchgang und die Kammer erhellen.
Vor etwa 2.300 Jahren Aristoteles sagte dass „die Umdrehung der äußersten Himmelssphäre“ als Referenz für die Zeitmessung dienen sollte. Der griechische Philosoph glaubte, der Kosmos sei in konzentrischen Kugeln angeordnet, in deren Mittelpunkt die Erde stehe.
WasseruhrenChr. erschienen, gehören zu den ältesten Instrumenten zur Zeitmessung. Sie tun dies, indem sie den Wasserfluss in oder aus einem Gefäß regulieren. Die mechanische Uhr wurde dann im späten 13. Jahrhundert eingeführt.
Bis 1967 wurde eine Sekunde als 1/86.400 eines Tages definiert, mit vierundzwanzig Stunden pro Tag, sechzig Minuten in einer Stunde und 60 Sekunden in einer Minute (24 x 60 x 60 = 86.400). Der Internationales Einheitensystem Dann änderte ich die Dinge und gab mich damit zufrieden diese Definition:
„Die zweite … wird definiert, indem man die … Übergangsfrequenz des Cäsium-133-Atoms mit 9192631770 annimmt, ausgedrückt in der Einheit Hz, was gleich s⁻¹ ist.“
Wenn Sie verwirrt sind, lassen Sie es mich näher erläutern. Der Kern dieser Definition ist die sogenannte Übergangsfrequenz. Ein Übergang findet statt, wenn Elektronen in einem Atom Energie absorbieren, sich auf ein höheres Energieniveau bewegen und nach einiger Zeit in einen entspannten Zustand zurückkehren. Es ist ein bisschen so, als würde man eine Tasse Kaffee trinken: Man hat plötzlich mehr Energie, bis das Koffein nachlässt. Die Häufigkeit gibt an, wie oft ein Übergang in einem bestimmten Zeitraum erwartet wird.
In jedem Sekundentakt findet ein spezifischer Übergang eines Elektrons von Cäsium-133 9192631770 Mal statt. Dies ist zum Maßstab der Zeitmessung geworden. Bislang liefert Cäsium die genaueste Definition der Sekunde, sie kann jedoch durch höhere Frequenzen verbessert werden.
Je höher die Übergangsfrequenz, desto weniger kann eine einzelne Fehllesung die Gesamtgenauigkeit beeinträchtigen. Wenn es fünfzig Übergänge pro Sekunde gäbe, wären die Kosten für die Genauigkeit einer Fehlzählung hundertmal höher als bei 5.000.
Es gibt zwei Einschränkungen bei der Reduzierung dieses Fehlers: die technologischen Herausforderungen bei der Messung von Frequenzen, insbesondere bei höheren Frequenzen; und die Notwendigkeit, ein System – im zweiten Fall Cäsium-133-Atome – mit einem messbaren Hochfrequenzübergang zu finden.
Um eine unbekannte Frequenz zu messen, nehmen Wissenschaftler ein Signal bekannter Frequenz – eine Referenz – und kombinieren es mit der Frequenz, die sie messen möchten. Der Unterschied zwischen ihnen wird ein neues Signal mit einer kleinen Frequenz sein, die leicht zu messen ist: die Schwebungsfrequenz.
Atomuhren nutzen diese Technik, um die Übergangsfrequenz von Atomen so präzise zu messen, dass sie zum Maßstab für die Definition der Sekunde werden. Um eine solche Präzision zu erreichen, benötigen Wissenschaftler ein zuverlässiges Referenzsignal, das sie mit einem sogenannten Frequenzkamm gewinnen.
Bei einem Frequenzkamm werden Laser in intermittierenden Impulsen ausgesendet. Diese Strahlen enthalten viele verschiedene Lichtwellen, deren Frequenzen gleichmäßig verteilt sind, wie die Zähne eines Kamms – daher der Name.
In Atomuhren wird ein Frequenzkamm verwendet, um Energie gleichzeitig auf Millionen von Atomen zu übertragen, in der Hoffnung, dass einer der Zähne des Kamms mit der Übergangsfrequenz eines Atoms schlägt. Ein Frequenzkamm, dessen Zähne zahlreich und dünn sind und im richtigen Frequenzbereich liegen, erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass dies geschieht. Sie sind daher von entscheidender Bedeutung für hochpräzise Messungen eines Referenzsignals.
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Von Atom- bis Atomuhren
Wie wir gesehen haben, wird die zweite durch Elektronenübergänge in Cäsiumatomen definiert. Mit einer niedrigeren Frequenz auftretende Übergänge sind einfacher zu messen. Aber diejenigen, die bei einer höheren Frequenz auftreten, tragen dazu bei, die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.
Cäsiumübergänge treten im elektromagnetischen Spektrum etwa bei der gleichen Frequenz auf wie Mikrowellen. Diese Mikrowellenfrequenzen sind niedriger als die des sichtbaren Lichts. Aber im September 2021Wissenschaftler führten Messungen mit dem Element Strontium durch, dessen Übergangsfrequenz höher als die von Cäsium ist und im Bereich des sichtbaren Lichts liegt. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Sekunde bis 2030 neu zu definieren.
Im September 2024, US-Wissenschaftler entscheidende Fortschritte gemacht auf dem Weg zum Bau einer Atomuhr – ein Schritt über eine Atomuhr hinaus. Im Gegensatz zur Atomuhr findet der von diesem neuen Gerät gemessene Übergang im Kern des Atoms statt (daher der Name), was ihm eine noch höhere Frequenz verleiht.
Thorium-229, das für diese Studie verwendete Atom, bietet einen Kernübergang, der durch ultraviolettes Licht angeregt werden kann. Das Team, das an der Kernuhr arbeitete, meisterte die technologische Herausforderung, einen Frequenzkamm zu bauen, der im relativ hohen Frequenzbereich des ultravioletten Lichts arbeitet.
Dies war ein großer Fortschritt, da Kernübergänge normalerweise erst bei viel höheren Frequenzen sichtbar werden – wie denen der Gammastrahlung. Allerdings sind wir noch nicht in der Lage, Übergänge im Gammabereich genau zu messen.
Der Übergang des Thoriumatoms hat eine Frequenz, die etwa eine Million Mal höher ist als die des Cäsiumatoms. Das bedeutet, dass sie zwar mit einer geringeren Genauigkeit gemessen wurde als die aktuelle, hochmoderne Strontiumuhr, aber eine neue Generation von Uhren mit deutlich präziseren Sekundendefinitionen verspricht.
Die Zeitmessung auf die neunzehnte Dezimalstelle genau, wie es Atomuhren könnten, würde es Wissenschaftlern ermöglichen, sehr schnelle Prozesse zu untersuchen. Stellen Sie sich zwei Läufer vor, die in einem Fotofinish gleichauf sind. Wenn die Stoppuhr des Schiedsrichters ein paar zusätzliche Ziffern hätte, könnte er den Gewinner identifizieren.
In ähnlicher Weise wird die Allgemeine Relativitätstheorie verwendet, um Hochgeschwindigkeitsprozesse zu untersuchen, die zu Überschneidungen mit der Quantenmechanik führen könnten. Eine Atomuhr wird uns die Technologie liefern, die wir zum Beweis dieser Theorien benötigen.
Auf technologischer Ebene basieren präzise Positionierungssysteme wie GPS auf komplexen Berechnungen, die genaue Messungen der Zeit erfordern, die ein Signal benötigt, um von einem Gerät zu einem Satelliten und auf ein anderes Gerät zu springen.
Eine bessere Definition der Sekunde führt zu einem viel genaueren GPS. Die Zeit für die Cäsium-Sekunde mag abgelaufen sein, aber dahinter wartet eine ganz neue Welt.
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