Wie die präziseste Uhr der Welt die grundlegende Physik verändern könnte

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass ein massiver Körper wie die Erde die Raumzeit krümmt, was dazu führt, dass sich die Zeit verlangsamt, wenn man sich dem Objekt nähert – also altert eine Person auf einem Berg ein kleines bisschen schneller als jemand auf Meereshöhe.

US-Wissenschaftler haben die Theorie jetzt im kleinsten Maßstab aller Zeiten bestätigt und gezeigt, dass Uhren unterschiedlich schnell ticken, wenn sie um Bruchteile eines Millimeters voneinander getrennt sind.

Jun Ye vom National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado Boulder sagte gegenüber , ihre neue Uhr sei „bei weitem“ die präziseste, die jemals gebaut wurde – und könnte den Weg für neue Entdeckungen in der Quantenmechanik ebnen Regelwerk für die subatomare Welt.

Ye und Kollegen veröffentlichten ihre Ergebnisse am Mittwoch in der renommierten Zeitschrift Naturund beschreibt die technischen Fortschritte, die es ihnen ermöglichten, ein Gerät zu bauen, das 50-mal genauer ist als die besten Atomuhren von heute.

Erst mit der Erfindung von Atomuhren – die die Zeit anzeigen, indem sie den Übergang zwischen zwei Energiezuständen innerhalb eines Atoms erkennen, das einer bestimmten Frequenz ausgesetzt ist – konnten Wissenschaftler Albert Einsteins Theorie von 1915 beweisen.

Zu den frühen Experimenten gehörte die Gravity Probe A von 1976, an der ein Raumschiff 6.000 Meilen (10.000 Kilometer) über der Erdoberfläche beteiligt war und die zeigten, dass eine Borduhr alle 73 Jahre um eine Sekunde schneller war als eine entsprechende Uhr auf der Erde.

Seitdem sind Uhren immer präziser geworden und damit besser in der Lage, die Auswirkungen der Relativitätstheorie zu erkennen.

Im Jahr 2010 beobachteten NIST-Wissenschaftler, dass sich die Zeit mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegte, wenn ihre Uhr 33 Zentimeter (etwas mehr als einen Fuß) höher gestellt wurde.

Theorie von allem

Der entscheidende Durchbruch von Yes war die Arbeit mit Lichtnetzen, die als optische Gitter bekannt sind, um Atome in geordneten Anordnungen einzufangen. Dies soll verhindern, dass die Atome aufgrund der Schwerkraft herunterfallen oder sich anderweitig bewegen, was zu einem Genauigkeitsverlust führt.

In der neuen Uhr von Yes befinden sich 100.000 Strontiumatome, die wie ein Stapel Pfannkuchen übereinander geschichtet sind und insgesamt etwa einen Millimeter hoch sind.

Die Uhr ist so genau, dass die Wissenschaftler, als sie den Stapel in zwei Hälften teilten, Zeitunterschiede in der oberen und unteren Hälfte feststellen konnten.

Auf dieser Genauigkeitsstufe fungieren Uhren im Wesentlichen als Sensoren.

„Raum und Zeit sind miteinander verbunden“, sagte Ye. „Und mit einer so präzisen Zeitmessung können Sie tatsächlich sehen, wie sich der Weltraum in Echtzeit verändert – die Erde ist ein lebendiger, lebendiger Körper.“

Solche Uhren, die über eine vulkanisch aktive Region verteilt sind, könnten Geologen den Unterschied zwischen festem Gestein und Lava anzeigen und helfen, Eruptionen vorherzusagen.

Oder untersuchen Sie zum Beispiel, wie die globale Erwärmung Gletscher schmelzen und Ozeane ansteigen lässt.

Was Ye jedoch am meisten begeistert, ist, wie zukünftige Uhren ein völlig neues Reich der Physik einleiten könnten.

Die aktuelle Uhr kann Zeitunterschiede über 200 Mikrometer erkennen – aber wenn sie auf 20 Mikrometer reduziert würde, könnte sie damit beginnen, die Quantenwelt zu untersuchen und dabei helfen, Unterschiede in der Theorie zu überbrücken.

Während die Relativitätstheorie wunderbar erklärt, wie sich große Objekte wie Planeten und Galaxien verhalten, ist sie bekanntlich unvereinbar mit der Quantenmechanik, die sich mit den sehr kleinen befasst.

Laut Quantentheorie ist jedes Teilchen auch eine Welle – und kann mehrere Orte gleichzeitig einnehmen, was als Superposition bezeichnet wird. Aber es ist nicht klar, wie ein Objekt an zwei Orten gleichzeitig die Raumzeit nach Einsteins Theorie verzerren würde.

Die Überschneidung der beiden Felder würde daher die Physik einer vereinheitlichenden „Theorie von allem“, die alle physikalischen Phänomene des Kosmos erklärt, einen Schritt näher bringen.

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