Die meisten Zeitmesser, mit denen die Menschen die Zeit ablesen, gehen jeden Monat auf 10 oder 15 Sekunden genau. Ausgefallene mechanische Uhren (wie eine Rolex) weichen um mehr ab – eine oder zwei Sekunden pro Tag. Wissenschaftler brauchen etwas viel Präziseres und Genaueres, denn die Phänomene, die sie messen, dauern oft nur Milliardstel Sekunden.
Hier kommt die Atomuhr ins Spiel. Die erste genaue Version wurde 1955 gebaut. Atomuhren messen die Schwingungen der Atome, wenn sie ihren Energiezustand ändern. Jedes Element hat eine charakteristische Frequenz oder eine Reihe von Frequenzen, und da das Atom Milliarden Mal pro Sekunde „schlägt“, sind solche Uhren sehr genau. Am National Institute of Standards and Technology beträgt die „offizielle“ Sekunde 9.192.631.770 Zyklen eines Cäsiumatoms. (Der Quarz in einer Uhr schwingt etwa 32.000 Mal pro Sekunde, etwa 290.000 Mal langsamer als Cäsiumatome.)
Wissenschaftler sprechen bei Atomuhren von Stabilität und Präzision. Bei einer Atomuhr bedeutet Präzision, wie gut sie die Schwingungen der Atome misst. Durch den Vergleich zweier Uhren können Wissenschaftler die Unsicherheit beim Ablesen dieser Frequenz messen – wie genau eine Uhr ist. Die Stabilität gibt an, wie stark die Ticks einer Uhr innerhalb einer bestimmten Zeitspanne variieren. Wenn man eine große Anzahl von Ticks, beispielsweise 100 000, mittelt, erhält man eine Zahl, die mit der tatsächlichen Zeit der Uhr verglichen werden kann. Wissenschaftler sprechen in der Regel von Präzision, wenn sie sagen, dass eine Uhr so genau ist, dass sie über Millionen von Jahren eine Sekunde zu- oder abnimmt. Wenn sie von Genauigkeit sprechen, beziehen sich Wissenschaftler in der Regel darauf, wie gut eine Uhr mit einer bestimmten Standardreferenz übereinstimmt, so dass in diesem Sinne die genaueste Uhr immer diejenige ist, mit der sie die Standardsekunde einstellen.
Tom O’Brian, Leiter der NIST-Abteilung Zeit &Frequenz, hat mehrere Arten von Atomuhren festgestellt: Diejenige, die zur Bestimmung der Standardsekunde verwendet wird, basiert auf Cäsiumatomen, aber andere Typen verwenden Strontium, Aluminium oder Quecksilber. Einige verwenden Wasserstoff. Für eine noch bessere Präzision werden die Atome in den neuesten Atomuhren unterkühlt, um Störungen durch die Umgebungswärme zu eliminieren.
Der größte Abnehmer von Atomuhren, die Telekommunikationsindustrie, setzt sie zur Synchronisierung von Glasfaserschaltern und Mobilfunktürmen ein, so O’Brian. Atomuhren werden auch im GPS-System verwendet, um das Timing von Signalen genau zu messen und die eigene Position im Verhältnis zu den Satelliten zu melden.
Hier sind einige der genauesten Uhren, die je gebaut wurden, aber O’Brian merkte an, dass die Technologie ständig verbessert wird und Wissenschaftler versuchen, immer präzisere Zeitmessungen vorzunehmen.
1. Die NIST F2
Erstmals 2014 in Betrieb genommen, trägt diese Uhr zusammen mit ihrer Vorgängerin, der NIST F1, zur Bestimmung der Standardsekunde bei, die von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt verwendet wird. Die NIST F2 synchronisiert auch die Telekommunikation und sogar den Handel an den Finanzmärkten mit der offiziellen Tageszeit. Die Uhr verwendet eine Reihe von sechs Lasern, um die Atome (etwa 10 Millionen Stück) zu kühlen, während ein anderes Laserpaar die Atome in einer mit Mikrowellenstrahlung gefüllten Kammer sanft nach oben schleudert. Die Frequenz der Strahlung, die den Zustand der meisten Atome verändert, wird vom NIST zur Definition der Sekunden herangezogen. Die Genauigkeit der Uhr beruht zum Teil darauf, dass sie bei minus 193 Grad Celsius (316 Grad Fahrenheit) betrieben wird; die kalten Bedingungen tragen dazu bei, die Cäsiumatome vor Streuwärme zu schützen, die die Messungen der Atomschwingungen verändern könnte. Diese Uhr wird etwa alle 300 Millionen Jahre eine Sekunde zu- oder abnehmen.
2. Universität Tokio/RIKEN
Dies ist eine optische Gitter-Atomuhr, die von einem Team unter der Leitung von Hidetoshi Katori gebaut wurde. Sie verwendet Strontiumatome, die zwischen Laserstrahlen gefangen und auf minus 292 F (minus 180 C) gekühlt sind. Optische Gitteruhren messen die Schwingungen von Ensembles gefangener Atome und können daher Fehler ausgleichen. Ihre Unsicherheit, über die am 9. Februar in der Zeitschrift Nature Photonics berichtet wurde, beträgt 7,2 x 10^-18, was etwa einer Sekunde alle 4,4 Milliarden Jahre entspricht; die Forscher sagten, dass sie in der Lage waren, zwei Uhren desselben Typs zu betreiben, um diesen Wert auf 2.0 x 10^-18, also etwa eine Sekunde alle 16 Milliarden Jahre.
3. Die NIST/JILA-Strontium-Uhr
NIST und JILA, ein gemeinsames Institut an der Universität von Colorado, Boulder, haben eine Strontium-Gitteruhr gebaut, die eine Genauigkeit von 1 Sekunde alle 5 Milliarden Jahre erreicht. Das Team unter der Leitung des Physikers Jun Ye veröffentlichte seine Arbeit im Jahr 2014 und überprüfte die Ergebnisse, indem es seine Uhr mit einer anderen vergleichbaren Uhr verglich. O’Brian sagte, dass das NIST ein weiteres Uhrenexperiment plant, um die Stabilität der von Katoris Team in Japan gebauten Uhr noch zu übertreffen. Die Uhr funktioniert, indem Strontiumatome mit Lasern in einer Art pfannkuchenförmigem Raum gefangen werden. Ein rotes Laserlicht, das auf eine bestimmte Frequenz abgestimmt ist, lässt die Atome zwischen Energieniveaus springen, und diese Sprünge sind die „Ticks“ – etwa 430 Billionen pro Sekunde.
4. Die Aluminium-Quantenlogik-Uhr
Das NIST verwendet nicht nur Strontium- und Cäsiumatome. Im Jahr 2010 baute das NIST eine Atomuhr, die ein Aluminiumatom mit einer Genauigkeit von einer Sekunde pro 3,7 Milliarden Jahre verwendete. Diese Uhr verwendet ein einzelnes Aluminiumatom, das zusammen mit einem Berylliumatom in einem Magnetfeld gefangen ist. Ein Laser kühlt die beiden Atome auf nahezu den absoluten Nullpunkt ab. Ein weiterer Laser wird auf die Frequenz eingestellt, bei der das Aluminium seinen Zustand ändert. Die Zustände des Aluminiums sind jedoch schwer genau zu messen, daher wird das Aluminium an das Berylliumatom gekoppelt. Dies ist ein ähnlicher Prozess, wie er in Quantencomputern verwendet wird.
5. Die mechanische Shortt-Synchronom-Uhr
Atomuhren bekommen den ganzen Ruhm, aber O’Brian sagte, dass Wissenschaftler vor ihrer Erfindung noch mechanische Uhren benutzen mussten – und einige waren ziemlich genau. Die 1921 erfundene Kurzzeituhr war ein wissenschaftliches Standardinstrument in Observatorien, bis sie durch Atomuhren ersetzt wurde. Die Uhr war eigentlich ein Doppelsystem, bestehend aus einem Pendel in einem Vakuumtank, das durch elektrische Drähte verbunden war. Die sekundäre Uhr sendete alle 30 Sekunden einen elektrischen Impuls an die primäre Uhr, um sicherzustellen, dass beide synchron blieben. Das Pendel im Vakuum bestand aus einer Nickel-Eisen-Legierung, um jegliche thermische Ausdehnung zu verringern, die die Länge des Pendels und damit seinen Schwung verändern würde. Die Uhr ist so genau, dass die Pendel zur Messung der Gravitationseffekte von Sonne und Mond verwendet werden können, und es war dieses Instrument, das zeigte, dass die Erdrotation in der Tat nicht gleichmäßig ist. Tests am U.S. Naval Observatory in den 1980er Jahren zeigten, dass die Uhr eine Genauigkeit von 1 Sekunde in etwa 12 Jahren hat.
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