Der Laseraufbau an der University of Western Australia. (D. Gozzard/UWA) Wissenschaftler haben die Mission, ein globales Netzwerk von Atomuhren zu schaffen, das es uns unter anderem ermöglichen wird, die Grundgesetze der Physik besser zu verstehen und zu untersuchen Dunkle Materie und navigieren Sie präziser über die Erde und den Weltraum.
Um jedoch optimal zu funktionieren, müssen diese Uhren zuverlässig und schnell über Schichten der Atmosphäre miteinander verbunden werden, was alles andere als einfach ist. Neue Forschungsergebnisse beschreiben ein erfolgreiches Experiment mit einem Laserstrahl, der über eine Entfernung von 2,4 Kilometern (1,5 Meilen) stabil gehalten wurde.
Zum Vergleich: Die neue Verbindung ist rund 100-mal stabiler als alles, was bisher hergestellt wurde. Es weist außerdem eine Stabilität auf, die rund 1.000-mal besser ist als die der Atomuhren, mit denen diese Laser überwacht werden könnten.
„Das Ergebnis zeigt, dass die in diesem Artikel vorgestellten Phasen- und Amplitudenstabilisierungstechnologien die Grundlage für einen ultrapräzisen Zeitskalenvergleich optischer Atomuhren durch die turbulente Atmosphäre bilden können“, schreiben die Forscher in ihrem veröffentlichtes Papier .
Das System baut auf Forschung auf letztes Jahr durchgeführt in dem Wissenschaftler eine Laserverbindung entwickelten, die sich mit beispielloser Stabilität durch die Atmosphäre behaupten kann.
In der neuen Studie haben Forscher einen Laserstrahl aus einem Fenster im fünften Stock auf einen 1,2 Kilometer (0,74 Meilen) entfernten Reflektor geschossen. Der Strahl wurde dann zur Quelle zurückgeworfen, um über einen Zeitraum von fünf Minuten die gesamte Entfernung zurückzulegen.
Mithilfe von Geräuschreduzierungstechniken, Temperaturkontrollen und geringfügigen Anpassungen des Reflektors konnte das Team den Laser auch in den schwankenden Lufteinschlüssen stabil halten. Die atmosphärischen Turbulenzen in Bodennähe entsprechen hier wahrscheinlich Boden-Satelliten-Turbulenzen (die Luft ist weiter oben in der Atmosphäre ruhiger und weniger dicht) von mehreren hundert Kilometern.
Während die Lasergenauigkeit etwa ein Jahrzehnt lang ziemlich konstant geblieben ist, haben wir in letzter Zeit einige bedeutende Verbesserungen gesehen, darunter ein Laser-Setup, das von der Boulder Atomic Clock Optical Network (BACON) Collaboration betrieben wird Letzten März getestet .
Bei diesem Aufbau handelte es sich um einen Pulslaser anstelle des in dieser neuen Studie getesteten Dauerstrichlasers. Beide haben in unterschiedlichen Szenarien ihre Vorteile, Dauerstrichlaser bieten jedoch eine bessere Stabilität und können mehr Daten in einem festgelegten Zeitraum übertragen.
„Beide Systeme schlagen die derzeit beste Atomuhr, also spalten wir uns hier, aber unsere ultimative Präzision ist besser.“ sagt der Astrophysiker David Gozzard von der University of Western Australia.
Sobald ein Atomuhrennetzwerk aufgebaut ist, können Wissenschaftler unter anderem auch den von Einstein durchführen Allgemeine Relativitätstheorie und wie seine Inkompatibilität mit dem, was wir über die Quantenphysik wissen, gelöst werden könnte.
Durch einen sehr genauen Vergleich der Zeitmessung zweier Atomuhren – einer auf der Erde und einer im Weltraum – hoffen Wissenschaftler, irgendwann herausfinden zu können, wo generelle Relativität hält und hält nicht. Wenn Einsteins Vorstellungen richtig sind, sollte die Uhr weiter von der Schwerkraft der Erde entfernt etwas schneller ticken.
Aber sein Nutzen hört hier nicht auf. Laser wie dieser könnten schließlich dazu verwendet werden, den Start von Objekten in die Umlaufbahn zu steuern, für die Kommunikation zwischen der Erde und dem Weltraum oder für die Verbindung zweier Punkte im Weltraum.
„Natürlich kann man kein Glasfaserkabel zu einem Satelliten verlegen“, sagt Gozzard .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung .