Die Atomuhr gibt es in vielen Varianten. Einige sind Elektronikgeräte in Chipgröße, die für das Militär entwickelt wurden, aber jetzt im Handel erhältlich sind, während größere und genauere Atomuhren die Zeit auf GPS-Satelliten verfolgen. Aber alle Atomuhren arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Reine Atome - manche Uhren verwenden Cäsium, andere Elemente wie Rubidium - haben eine bestimmte Anzahl von Valenzelektronen oder Elektronen in der äußeren Hülle jedes Atoms. Wenn die Atome mit einer bestimmten Frequenz elektromagnetischer Strahlung (z. B. Lichtwellen oder Mikrowellen) getroffen werden, wechseln die Valenzelektronen zwischen zwei Energiezuständen.
In den 1960er Jahren wandten sich Wissenschaftler von der Zeitmessung auf der Grundlage von Umlaufbahnen und Rotationen von Himmelskörpern ab und verwendeten diese Uhren nach den Prinzipien der Quantenmechanik. Es mag seltsam erscheinen, die Zeit zu messen, aber die Dauer einer bestimmten Anzahl von Schwingungen oder „Zecken“ in einer Welle elektromagnetischer Strahlung ist die offizielle Methode, mit der Wissenschaftler die Sekunde definieren. Insbesondere ist eine Sekunde die Dauer von 9.192.631.770 Oszillationen eines Mikrowellenlasers, die den Übergang von Cäsiumatomen bewirken.
Aber wir haben noch bessere Atomuhren als die, die Cäsium messen.
"Wenn unsere beiden Ytterbiumuhren zu Beginn des Universums gestartet worden wären, würden sie sich zu diesem Zeitpunkt um weniger als eine Sekunde widersprechen", sagt William McGrew, Physiker am National Institute of Standards and Technology (NIST) ), in einer E-Mail.
Hochstabile Ytterbium-Gitter-Atomuhr von NIST. Ytterbiumatome werden in einem Ofen (großer Metallzylinder links) erzeugt und in eine Vakuumkammer in der Mitte des Fotos geschickt, um von Lasern manipuliert und untersucht zu werden. Das Laserlicht wird von fünf Fasern (z. B. der gelben Faser in der unteren Bildmitte) zur Uhr transportiert. (James Burrus / NIST) Die Ytterbiumuhren bei NIST, Yb-1 und Yb-2, sind eine einzigartige Art von Atomuhren, die als optische Gitteruhren bekannt sind. Im Wesentlichen verwenden die Uhren elektromagnetische Strahlung in der optischen Frequenz oder Laser, um Tausende von Ytterbiumatomen einzufangen, und veranlassen dann ihre äußeren Elektronen, zwischen einem Grundenergiezustand und einem angeregten Energiezustand zu wechseln. Im Vergleich zu Cäsium ist eine höhere Frequenz elektromagnetischer Strahlung erforderlich, um den Übergang von Ytterbium zu bewirken.
Alle elektromagnetischen Wellen, von Radiowellen bis zu Gammastrahlen, und das gesamte sichtbare Licht dazwischen, sind die gleichen Arten von Wellen, die aus Photonen bestehen - der Unterschied besteht einfach darin, dass Wellen mit höheren Frequenzen schneller schwingen. Mikrowellen, die zum Übergang von Cäsium verwendet werden, werden in längere Wellenlängen und niedrigere Frequenzen als sichtbares Licht gestreckt. Die Verwendung von Atomen, die bei höheren Frequenzen übergehen, ist der Schlüssel zum Aufbau einer besseren Uhr. Während eine Sekunde derzeit etwa 9 Milliarden Schwingungen einer Mikrowelle entspricht, würde dieselbe Zeitdauer durch knapp 500 Billionen Schwingungen einer Welle von sichtbarem Licht dargestellt, was die Fähigkeit der Wissenschaftler verbessert, die Zeit präzise zu messen.
Wird der Messlaser einer Ytterbiumuhr auf genau die richtige Frequenz eingestellt, springen die Ytterbiumatome in den angeregten Energiezustand auf. Dies tritt auf, wenn der Laser eine Frequenz von genau 518.295.836.590.863, 6 Hertz hat - die Anzahl der "Ticks" in einer Sekunde.
"Dies entspricht einer Wellenlänge von 578 Nanometern, die für das Auge gelb erscheint", sagt McGrew.
Neue Messungen mit Yb-1 und Yb-2, angeführt von McGrews Team am NIST, haben in drei Schlüsselbereichen der Messgenauigkeit neue Rekorde erzielt und in gewisser Hinsicht die besten Messungen der je erreichten zweiten erzielt. Insbesondere für die systematische Unsicherheit, Stabilität und Reproduzierbarkeit setzen die Uhren neue Rekorde. Die neuen Messungen werden in einem heute in Nature veröffentlichten Artikel detailliert beschrieben.
Die optischen Ytterbiumuhren sind in diesen Aspekten noch genauer als die Cäsiumbrunnenuhren, mit denen die Definition einer Sekunde bestimmt wird. Die Ytterbiumuhren sind technisch nicht genauer als die Cäsiumuhren, da die Genauigkeit genau ist, wie nah eine Messung an der offiziellen Definition liegt, und nichts kann genauer sein als die Cäsiumuhren, auf denen die Definition basiert. Trotzdem ist die Schlüsselmetrik hier die systematische Unsicherheit - ein Maß dafür, wie genau die Uhr die wahre, ungestörte natürliche Schwingung der Ytterbiumatome (die genaue Frequenz, mit der sie sich ändern) erkennt.
Die neuen Messungen entsprechen der Eigenfrequenz mit einem Fehler von 1, 4 Teilen in 10 18 oder etwa einem Milliardstel einer Milliardstel. Die Cäsiumuhren haben nur eine systematische Unsicherheit von etwa einem Teil von 10 16 erreicht . Im Vergleich zu den Cäsiumuhren wären die neuen Ytterbiummessungen also „100-mal besser“, sagt Andrew Ludlow, NIST-Physiker und Mitautor der Arbeit.
Die Herausforderung bei diesen Arten von Messungen besteht darin, externe Faktoren zu berücksichtigen, die sich auf die Eigenfrequenz der Ytterbiumatome auswirken können. Da dies einige der empfindlichsten Messungen sind, die jemals durchgeführt wurden, ist jeder physikalische Effekt des Universums ein Faktor. „Fast alles, woran wir jetzt willkürlich denken könnten, hat irgendwann einen Einfluss auf die Schwingungsfrequenz des Atoms“, sagt Ludlow.
Zu den äußeren Effekten, die die Eigenfrequenz der Uhren verschieben, gehören die Strahlung des schwarzen Körpers, die Schwerkraft, elektrische Felder und leichte Kollisionen der Atome. „Wir verbringen viel Zeit damit, sorgfältig durchzugehen und… genau zu verstehen, welche Effekte relevant sind, um die Ticking-Rate der Uhr - diese Übergangsfrequenz - zu verfälschen und diese an den tatsächlichen Atomen zu messen um sie zu charakterisieren und uns dabei zu helfen, herauszufinden, wie gut wir diese Effekte wirklich kontrollieren und messen können. “
Um die Auswirkungen dieser natürlichen physikalischen Faktoren zu verringern, werden die in einigen Mineralien natürlich vorkommenden Ytterbiumatome zunächst gasförmig erhitzt. Dann wird die Temperatur der Atome durch Laserkühlung von Hunderten von Grad Kelvin auf einige Tausendstel Grad gesenkt und dann weiter auf Temperaturen von etwa 10 Mikrokelvin oder 10 Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt. Die Atome werden dann in eine Vakuumkammer und eine Wärmeabschirmungsumgebung geladen. Der Messlaser wird durch die Atome gestrahlt und an sich selbst zurückreflektiert. Dadurch entsteht ein „Gitter“, das die Atome in energiereichen Teilen einer stehenden Lichtwelle und nicht in einer laufenden Welle wie einem typischen Laserpointer einfängt.
Die Verbesserung der „Stabilität“ und „Reproduzierbarkeit“ der Messungen, für die die Ytterbiumuhren ebenfalls neue Rekorde aufstellten, trägt dazu bei, eventuelle äußere Kräfte, die auf die Uhren einwirken, weiter zu berücksichtigen. Die Stabilität der Uhren ist im Wesentlichen ein Maß dafür, wie stark sich die Frequenz im Laufe der Zeit ändert, was für Yb-1 und Yb-2 bei 3, 2 Teilen in 10 19 im Laufe eines Tages gemessen wurde. Die Reproduzierbarkeit ist ein Maß für die Übereinstimmung der beiden Uhren. Durch 10 Vergleiche wurde festgestellt, dass die Frequenzdifferenz zwischen Yb-1 und Yb-2 weniger als ein Milliardstel einer Milliardstel beträgt.
"Es ist wichtig, zwei Uhren zu haben", sagt McGrew. „Unsicherheit ist dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht untersucht wird, die die Übergangsfrequenz verändern könnte. Es gibt jedoch immer die Möglichkeit von „unbekannten Unbekannten“, Verschiebungen, die noch nicht verstanden wurden. Mit zwei Systemen können Sie die Charakterisierung Ihrer Unsicherheit überprüfen, indem Sie prüfen, ob die beiden unabhängigen Systeme miteinander übereinstimmen. “
Eine solche Genauigkeit bei der Zeitmessung wird bereits von Wissenschaftlern verwendet, aber die praktischen Anwendungen verbesserter Messungen der Sekunde umfassen Fortschritte bei Navigation und Kommunikation. Obwohl es zu dieser Zeit niemand hätte wissen können, würde die frühe Arbeit mit Atomuhren in der Mitte des 20. Jahrhunderts letztendlich das Global Positioning System und jede Industrie und Technologie ermöglichen, die sich darauf stützt.
„Ich glaube nicht, dass ich vollständig vorhersagen kann, welche Anwendungen in 20 oder 50 Jahren am meisten davon profitieren werden, aber ich kann sagen, dass im Rückblick auf die Geschichte einige der tiefgreifendsten Auswirkungen der heutigen Atomuhren nicht erwartet wurden. Sagt Ludlow.
Die gelben Laser einer der optischen Ytterbium-Gitteruhren von NIST. (Nate Phillips / NIST) Die Ytterbiumuhren könnten auch in der fortgeschrittenen Physikforschung eingesetzt werden, beispielsweise bei der Gravitationsfeldmodellierung und der möglichen Detektion von Dunkler Materie oder Gravitationswellen. Grundsätzlich sind die Uhren so empfindlich, dass Störungen durch sich ändernde Schwerkraft oder andere physikalische Kräfte erkannt werden können. Wenn Sie mehrere Ytterbiumuhren auf der ganzen Welt positionieren, können Sie die winzigen Schwerkraftänderungen messen (die sowohl näher am Meeresspiegel als auch näher an den Polen liegen). Auf diese Weise können Wissenschaftler die Form des Gravitationsfelds der Erde präziser als je zuvor messen Vor. In ähnlicher Weise konnte eine Wechselwirkung mit Partikeln der dunklen Materie oder sogar Gravitationswellen, die zwei weit auseinander liegende Uhren beeinflussen, festgestellt werden.
„Wissenschaftlich gesehen verwenden wir diese erstaunliche Präzision bereits heute für einige dieser grundlegenden physikalischen Studien - die Suche nach dunkler Materie, die Suche nach Variationen der fundamentalen Konstanten, die Suche nach Verstößen gegen einige Theorien von Einstein und andere Dinge. … Wenn wir jemals mit diesen unglaublichen Messinstrumenten Verstöße [gegen die Gesetze der Physik] entdecken, könnte dies unser Verständnis des Universums grundlegend verändern und somit die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie von da an beeinflussen. “
In den nächsten 10 Jahren könnten die messtechnischen Institutionen der Welt entscheiden, die Sekunde auf der Grundlage einer optischen Uhr anstatt einer Cäsiumuhr neu zu definieren. Eine solche Neudefinition ist wahrscheinlich unvermeidlich, da optische Laser bei viel höheren Frequenzen als Mikrowellen arbeiten und die Anzahl der in einer Sekunde enthaltenen "Ticks" der Uhr erhöhen. Eine Ytterbium-Uhr-Messung wäre ein guter Kandidat für eine neue Definition, aber optische Gitteruhren mit Quecksilber und Strontium haben auch vielversprechende Ergebnisse erbracht, und ionenoptische Uhren, die ein einzelnes Atom suspendieren und überführen, bieten eine weitere faszinierende Möglichkeit für eine neue Definition.
Diese Messungen atomarer Phänomene werden immer präziser, und wo unser sich entwickelndes Verständnis der Zeit uns hinführen wird, ist unmöglich zu wissen.
