(N. Phillips/NIST) Atomuhren, die auf den winzigen Schwingungen von Atomen basieren, sind die präzisesten Zeitmessgeräte, die Menschen geschaffen haben.
Jedes Jahr nehmen Wissenschaftler Anpassungen vor, die die Präzision dieser Geräte verbessern. Jetzt haben sie neue Leistungsrekorde aufgestellt und zwei Atomuhren so präzise gemacht, dass sie sie messen konnten Gravitationswellen , diese schwachen Wellen im Gefüge der Raumzeit.
Die beeindruckend cleveren Physiker des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) erzielten diese Rekorde bei drei der wichtigsten Messgrößen zur Beurteilung der Leistung von Atomuhren: systematische Unsicherheit, Stabilität und Reproduzierbarkeit.
„[Es] kann als der ‚Royal Flush‘ der Leistung dieser Uhren angesehen werden.“ erklärte NIST-Physiker Andrew Ludlow .
Beide neuen Rekorduhren basieren auf Ytterbium Atome. In jeder Uhr hält ein optisches Gitter aus Lasern tausende dieser Atome unbeweglich. Diese Laser regen die Elektronen der Atome an, die daraufhin schwingen und mit unglaublicher Regelmäßigkeit zwischen zwei Energiezuständen wechseln.
Wie das Ticken einer analogen Uhr kann diese Energieumschaltung zum Halten der Zeit genutzt werden – allerdings mit viel größerer Präzision als jede analoge oder sogar digitale Uhr. Der jüngste Rekordbrecher, letztes Jahr veröffentlicht , war so präzise, dass es 15 Milliarden Jahre lang die Zeit messen konnte, ohne eine Sekunde zu verlieren oder zu gewinnen.
Und das Standardsekunde ist definiert durch die Schwingungen eines Cäsiumatoms. Also, wissen Sie, ziemlich erstaunlich präzises Zeug.
Was bedeuten diese neuen Rekorde?
Systematische Unsicherheit bezieht sich darauf, ob die Uhr genau mit den Schwingungen der Atome Schritt hält. Die beiden Uhren waren mit der Frequenz des Ytterbiums synchronisiert, mit einer Fehlerrate von 1,4 Teilen zu 10 18 .
Stabilität bezieht sich auf die Änderung der Taktfrequenz über einen bestimmten Zeitraum. Die Veränderung der Ytterbium-Uhren betrug lediglich 3,2 Teile zu 10 19 (oder 0,00000000000000000032).
Und schließlich bezieht sich die Reproduzierbarkeit darauf, wie eng die Uhren mit der gleichen Frequenz ticken. Ihr Unterschied lag unter dem Niveau von 10 -18 oder ein Milliardstel einer Milliarde. Und das ist der Geldschuss.
„Die Übereinstimmung der beiden Uhren auf diesem beispiellosen Niveau, das wir Reproduzierbarkeit nennen, ist vielleicht das wichtigste Einzelergebnis, weil es im Wesentlichen die beiden anderen Ergebnisse erfordert und untermauert.“ Sagte Ludlow .
„Dies gilt insbesondere, weil 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 vorstellen, dass Uhren wie diese im ganzen Land oder auf der ganzen Welt eingesetzt werden, wäre ihre relative Leistung zum ersten Mal durch die Gravitationseffekte der Erde begrenzt.“
Diese überwältigende Präzision wird sicherlich vielen Instrumenten und Experimenten zugute kommen, bei denen Atomuhren verwendet werden.
Ein Beispiel sind globale Positionierungssysteme , die Signale von Satelliten empfangen, die mit Atomuhren ausgestattet sind, messen dann die Zeitverzögerung des Signals von jedem Satelliten und wandeln sie in räumliche Koordinaten um.
Auch Atomuhren wurden verwendet erkennen und messen Zeitdilatation, die Auswirkung von Geschwindigkeit oder Schwerkraft auf die Zeit. Die relative Geschwindigkeit verlangsamt die Zeit. Die größere Schwerkraft verlangsamt auch die Zeit; zum Beispiel in größeren Höhen auf der Erde tatsächlich Zeit bewegt sich etwas schneller .
Aufgrund dieses Unterschieds können Atomuhren in verschiedenen Höhen platziert werden, um die Schwerkraft selbst zu messen. Dies bedeutet, dass diese neuen Uhren theoretisch dazu verwendet werden könnten, die Form des Gravitationsfeldes der Erde zu messen, ein Feld, das als bekannt ist relativistische Geodäsie , auf den Zentimeter genau.
Aber Atomuhren, die so präzise und so empfindlich auf die Schwerkraft reagieren, könnten möglicherweise auch die unglaublich schwachen Signale von Gravitationswellen erkennen.
Und da ist die unglaublich verlockende Aussicht Dunkle Materie , was wir noch nie direkt entdeckt haben. Theoretisch wann Atomuhren interagieren mit dunkler Materie Sie können schneller oder langsamer werden – aber um absolut winzige Sekundenbruchteile. Synchronisierte Atomuhren kann diese Abweichungen auf eine Weise erkennbar machen, die andere Uhren nicht können.
Diese Anwendungen müssen mit diesen neuen Rekordbrechern noch angewendet werden – angesichts der erforderlichen Laserleistung sind sie derzeit quasi im Labor. Aber es ist sicherlich ein aufregender Schritt nach vorne.
Die Forschung des Teams wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Natur .