Physiker enthüllen die genaueste Uhr der Welt (und einen Zwilling zum Vergleich)

Uhren sind eine der grundlegenden Technologien der modernen Welt. Ohne hochgenaue Uhren würde das Global Positioning System nicht richtig funktionieren, und es wäre auch nicht möglich, Netzwerke über weite Distanzen zu synchronisieren. Und Physiker verlassen sich auf Uhren, um die grundlegenden Gesetze des Universums auf immer tiefere Ebenen zu testen.

Daher ist es ein wichtiges Ziel, genauere und zuverlässigere Uhren zu haben.

Heute stellen Andrew Ludlow vom National Institute of Standards and Technology in Boulder und ein paar Freunde die beiden genauesten Uhren vor, die je gebaut wurden. Sie sagen, dass ihre neuen Uhren die Zeit mit einer beispiellosen Genauigkeit von einem Teil in 10-18 halten können.



Ludlow und Co relativieren dies: Eine Messung auf dem 1018-Bruchteil-Niveau entspricht der Angabe des Alters des bekannten Universums auf eine Genauigkeit von weniger als einer Sekunde oder des Erddurchmessers auf weniger als die Breite eines Atoms.

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Ihre Uhr ist zumindest im Prinzip ein einfaches Biest. Die Grundidee ist, dass eine Sekunde durch die Frequenz des Lichts definiert werden kann, das von einem Atom emittiert wird, wenn Elektronen im Grundzustand in einen anderen Zustand springen.

Die Schwierigkeit besteht darin, diese Frequenz genau zu messen. Das liegt daran, dass jede kleine Bewegung des Atoms einen Doppler-Effekt erzeugt, der die Frequenz verschiebt. Darüber hinaus können elektrische Streufelder diese elektronischen Übergänge verschieben und ihre Frequenz ändern, ein Phänomen, das als Stark-Verschiebung bekannt ist. Die Überwindung dieser kleinen Fehlerquellen ist die größte Herausforderung beim Bau genauer Uhren.

Ludlow und seine Freunde haben es mit einer Technologie geschafft, die als optische Gitteruhr bekannt ist. Bei diesem Ansatz prallen sie einen Laser von einem Spiegel ab, um eine stehende Lichtwelle zu erzeugen, die ein Gitter bildet, um Atome einzufangen. Das ist eine Art Eierkarton, in dem die Atome sitzen.

Dann füllen sie diese Eierschachtel mit Ytterbium-Atomen und zappen sie mit einem anderen Laser, um die Frequenz zu sehen, bei der der elektronische Übergang stattfindet.

Die Eierschachtel ist wichtig, weil sie die Atome in einem schraubstockähnlichen Griff hält, der jegliche Doppler-Effekte minimiert.

Mit dem Licht verbundene elektrische Felder erzeugen jedoch eine Stark-Verschiebung. Das Team umgeht dies, indem es einen sogenannten magischen Übergang in Ytterbium wählt, bei dem beide elektronischen Zustände um den gleichen Betrag verschoben werden und die Übergangsfrequenz unverändert bleibt.

Und weil die Eierschachtel mit vielen Atomen gefüllt werden kann, können Ludlow und Co. ihre Messungen mit vielen Atomen durchführen, um ein klareres Signal zu erhalten.

Das Ergebnis ist eine Uhr, die nur einen Tick von 1018 Ticks verliert.

Natürlich gibt es keine Möglichkeit, die Genauigkeit einer einzelnen Uhr zu messen, weshalb diese Jungs zwei haben.

Die neuen Uhren ermöglichen sofort eine Reihe neuer und wichtiger Anwendungen. Diese Uhren sind so empfindlich, dass sie leicht die Gravitationsrotverschiebung messen können, bei der Uhren in stärkeren Gravitationsfeldern langsamer ticken. Mit anderen Worten, sie können Höhenänderungen wahrnehmen.

Die besten Uhren von heute reagieren empfindlich auf Änderungen von vielen Metern oder Kilometern. Die neue Uhr soll Veränderungen von etwa 1 cm an der Erdoberfläche erkennen können. Dies wird für Anwendungen wie Hydrologie, Geologie und die Messung von Eispaketänderungen in Studien zum Klimawandel gelten.

Es wäre auch Physiker, zu testen, ob Dinge wie die gravitative Rotverschiebung und die konstante Feinstrukturänderung mit der Position, wichtige grundlegende Tests der Physik.

Die Verbesserung von Uhren ist ein fortlaufender Prozess, den die Menschheit über mehrere tausend Jahre hinweg unternommen hat. Diese neuesten Zeitmesser sind der beeindruckende Höhepunkt all dieser Arbeit und werden dennoch in nicht allzu ferner Zukunft in den Schatten gestellt.

Tatsächlich weisen Ludlow und Co auf verschiedene Verbesserungen hin, die sie in naher Zukunft vornehmen mussten, um ihre Uhr noch besser zu machen. Und wenn sie es tun, werden die nächsten Uhren noch besser. Das liegt in der Natur der Technik.

Ref: http://arxiv.org/abs/1305.5869 : Eine Atomuhr mit 10-18 Instabilität

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