Christiaan Huygens war ein beschäftigter Gelehrter. Unter seinen vielen Errungenschaften fand der niederländische Wissenschaftler die Form der Saturnringe heraus und entdeckte den größten Mond des Planeten, Titan. Er begründete die Theorie, dass Licht als Welle wandert, und erfand die Pendeluhr. Huygens konnte anscheinend nicht einmal seinen wissenschaftlichen Verstand ausschalten, wenn er unter dem Wetter war.
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1665 war er krank und lag im Bett und beobachtete zwei Pendeluhren, die in seinem Haus an einem Balken befestigt waren. Er bemerkte, dass die Pendel im Takt zueinander zu schwingen begannen, egal ob die Uhren zu verschiedenen Zeiten gestartet oder gestoppt worden waren oder in welcher Position die Pendel begannen. Huygens war verblüfft. Es musste eine Möglichkeit geben, wie die Uhren miteinander "sprachen", aber ihm fehlten die genauen Instrumente, um die Wechselwirkung zwischen den Uhren zu messen. So kreidete er es zu mysteriösen Bewegungen, die durch die Luft oder die physische Verbindung im Strahl übertragen wurden, und dort ruhte die Sache mehr als 300 Jahre lang.
Physiker, die das Rätsel des 17. Jahrhunderts erneut aufgreifen, glauben, die Antwort liege in Schallwellen. Henrique Oliveira und Luís V. Melo von der Universität Lissabon haben die von Huygens beobachteten Bedingungen nachgebildet und anschließend die Variablen mit äußerst empfindlichen Instrumenten gemessen. Ihre Ergebnisse, die diese Woche in Scientific Reports veröffentlicht wurden, deuten darauf hin, dass die Schallenergie der tickenden Uhren durch das sie verbindende Material wandert und sie zur Synchronisation bringt.
Zuvor haben andere Wissenschaftler das Experiment mit einem Strahl geknackt, der sich bewegen durfte. In diesen Modellen beruht die Energie, die die Uhren synchronisiert, auf der Erhaltung des Impulses. Oliveira und Melo wollten ein anderes Modell testen, das eher dem entspricht, mit dem Huygens arbeitete. Sie wollten auch präziser sein als frühere Versuche.
Sie verwendeten zuerst einen Computer, um die Uhren zu simulieren, vorausgesetzt, die Uhren waren durch ein steifes Material verbunden. Dann befestigten sie zwei echte Pendeluhren an einem Aluminiumträger. Sie stellten die Uhren auf Ticken und maßen die Perioden der Pendelschwingungen mit hochpräzisen optischen Sensoren. Sicher genug, die Pendel würden sich synchron bewegen. Selbst wenn sie sich in entgegengesetzte Richtungen bewegten, würden sie immer noch mit derselben Periode schwingen.
"Wir haben verschiedene Strahlmaterialien und -bedingungen ausprobiert und konnten nur dann eine Kopplung erzielen, wenn der [feste] Strahl aus einem sehr guten Schallleiter bestand, die Uhren nah und die Frequenzen nah genug waren", heißt es in einer E-Mail von Melo.
Das Laborexperiment umfasste zwei Pendeluhren, die an einem Aluminiumträger hingen. (Henrique Oliveira und Luís Melo) Also, was ist los? Es hat damit zu tun, wie Pendeluhren funktionieren. Ein Pendel schwingt und ein Anker, so genannt wegen seiner Form, gibt die Zähne eines Zahnrads frei, das an einem absteigenden Gewicht befestigt ist. Wenn das Zahnrad losgelassen wird, zieht das Gewicht es nach unten, so dass es anfängt sich zu drehen, aber der Anker des Pendels fängt die Zähne des Zahnrads wieder auf. Wenn das Pendel zurückschwingt, gibt es das Zahnrad wieder frei und diesmal fängt der Anker die andere Seite. Währenddessen gleiten die Zähne des Zahnrads unter dem Anker, drücken darauf und fügen einen kleinen Stoß hinzu, um das Pendel in Schwingung zu halten. Es gibt viele Variationen dieses Designs, aber das ist das Grundprinzip.
Im neuesten Experiment bewirkt all diese Bewegung, dass eine kleine Menge Schallenergie in die Aluminiumstange gelangt. Jedes Mal, wenn sich dieser Energieimpuls bewegt, drückt er das Pendel einer Uhr in die andere. Das Experiment dauert bis zu 18 Stunden oder sogar Tage, da sich die Uhren langsam synchronisieren. Melo merkt an, dass Huygens 'Uhren Stabilisierungsgewichte von 50 oder 60 Pfund hatten, während die in seinem Experiment verwendeten ein Pfund oder weniger waren, sodass die übertragenen Kräfte von Huygens' Uhren größer waren.
Trotzdem könnten Sie theoretisch das gleiche Experiment zu Hause durchführen. "Wenn Sie einen Schallleiter finden, der gut genug für einen Strahl ist ... und wenn Sie sehr geduldig sind, dann bekommen Sie die Bedingungen für die Kopplung", sagt Melo. "Aber Sie werden nur sicher sein, wenn Sie ein automatisiertes Experiment durchführen. Es ist unmöglich, tagelang ununterbrochen zu schauen - es ist hypnotisierend, aber man wird nach einer Weile sehr besorgt."
Jonatan Peña Ramirez, Forscher an der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden, hat ebenfalls Studien zum Phänomen der Huygens-Uhr veröffentlicht. Er sagt, dass Physiker dieses System gerne untersuchen, weil es andere Zyklen in der Natur nachahmt. "Ähnliche Phänomene können in biologischen Systemen beobachtet werden, in denen sich einige Zyklen im menschlichen Körper auf natürliche Weise synchronisieren", sagt er.
Er ist jedoch noch nicht davon überzeugt, dass Schallenergie der Täter für die Uhren ist. "Wenn Sie den Antriebsmechanismus in den Uhren durch einen glatten Mechanismus ersetzen, dh einen Mechanismus, der keine [diskreten] Impulse auf die Uhren ausübt, kann man dennoch die Synchronisation beobachten", sagt er. Für ihn ist "Huygens 'Synchronisation ... noch lange nicht gelöst."
