Forscher haben eine Atomuhr konstruiert, die die bisher genaueste ihrer Art ist und das Potenzial hat, zu definieren, wie Sekunden gemessen werden. Das Instrument stützt sich für seinen Zeitmessmechanismus auf das Element Lutetium und erreicht eine Genauigkeit von 19 Dezimalstellen – eine Verbesserung von 41 % gegenüber dem bisher besten Gerät. Die Ergebnisse wurden am 23. September in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Die Uhr ist ein großer Schritt nach vorne für ein Gebiet, das seit den 1950er Jahren Grenzen austestet. Atomuhren waren lange Zeit das Rückgrat der Zeitmessung, und dieses neue Gerät könnte endlich den Standard ersetzen, der Jahrzehntelang die Sekunde definiert hat.
Was die Uhr bewirkt
Die Zeitmessung mithilfe von Atomuhren beruht auf der Verfolgung der Schwingungen von Atomen. Lutetium-176 ist das spezifische Element, dessen Atome beobachtet werden, während sie schwingen. Jede Mikrosekunde wird durch diese Schwingung definiert, die die Uhr mit einem bemerkenswerten Grad an Genauigkeit überwacht.
Der alte Standard hatte seine Genauigkeit auf eine bestimmte Anzahl von Dezimalstellen festgelegt, während die neue Uhr diese um 41 % übertrifft. Dies ist ein erheblicher Unterschied in einem Bereich, in dem kleine Sekundenbruchteile alles bedeuten. Der Gewinn liegt nicht nur auf dem Papier – er verändert, wie wir das sehr Fundament des metrischen Systems messen.
Dieser Unterschied ist wichtig, weil die Messung einer Sekunde selbst die Grundlage für einen großen Teil des modernen Lebens darstellt. Das metrische System, das Messungen von Länge über Masse bis hin zu elektrischem Strom regelt, basiert auf der Sekunde als seiner primären Zeiteinheit. So kann selbst eine kleine Verbesserung der Sekundensmessung sich in viele andere Bereiche auswirken, von der Telekommunikation über die Navigation bis hin zur wissenschaftlichen Forschung.
Das Element hinter der Uhr
Die Wissenschaftler weisen darauf hin, dass der Betrieb der Uhr stabil bleibt, trotz Veränderungen in ihrer Umgebung, insbesondere in Bezug auf Magnetfelder und Temperatur. Während andere Komponenten eine präzise Anpassung an ihre Umgebung benötigen, setzt Lutetium-176 die Zeitmessung über eine 5-Grad-Temperaturänderung fort.
Um die Auswirkungen von Gravitationsfeldern zu berücksichtigen, entwickelte das Team eine Methode, die als Hyperfeinmittelung bekannt ist. Dieser Ansatz minimiert verbleibende Variationen bei der Zeitmessung, was für ein Gerät, das über längere Zeiträume genau bleiben muss, unerlässlich ist.
Eine Analogie für Läufer
Murray Barrett, ein Physiker an der Nationalen Universität Singapur, der an der Studie teilgenommen hat, beschrieb die Aufgabe mit einer Sportanalogie. Er sagte, das Ziel sei es, sicherzustellen, dass der Läufer die Distanz bewältigen kann, und Lutetium, wie es scheint, ist ein natürlicher Ausdauerathlet.
„Unser Job ist es, sicherzustellen, dass der Läufer die Distanz bewältigen kann. Lutetium, wie sich herausstellt, ist ein natürlicher Ausdauerathlet.“
Was die Wissenschaftler bauen wollen, ist eine Uhr, die weitergeht, ohne ihren Rhythmus durch äußere Kräfte zu verlieren, und die Analogie macht dieses Ziel deutlich. Lutetium scheint der ideale Kandidat für eine solche Uhr zu sein.
Das Erbe des Cäsiums
Die Geschichte der Atomuhren reicht bis in die 1960er Jahre zurück, als Wissenschaftler erstmals Instrumente bauten, die die Zeit mithilfe der radioaktiven Formen des Elements Cäsium, eines silbrigen Metalls, maßen. Später änderte das Internationale Büro für Maßstäbe und Gewichte (BIPM) 1968 die Definition der Sekunde und legte sie an die von dem Isotop Cäsium-133 abgegebene Strahlung an.
Die offizielle Definition von einer Sekunde sind 9,19 Schwingungen eines Cäsium-133-Atoms. Zuvor wurde eine Sekunde als 1/31.556.925 der Länge des Sonnenjahres 1900 festgelegt. Dieser Atomstandard ist seitdem zum definitiven Maß für die Zeitmessung geworden.
Radioaktive Metalle jenseits der 1960er Jahre werden seit Jahrzehnten bei der Konstruktion von Atomuhren eingesetzt, wobei Ytterbium und Strontium als bemerkenswerte Beispiele dienen. Diese Zeitmessgeräte verankern derzeit Systeme wie GPS, das Internet und militärische Technologie.
Der neue Standard des metrischen Systems
Eine neue Atomuhr könnte die Standardmaßnahme des metrischen Systems übernehmen. Das BIPM plant, die Sekunde im Jahr 2030 neu zu definieren, wobei die heutige Atomuhrtechnologie verwendet wird. Im Moment scheint Lutetium die genauesten Ergebnisse zu liefern.
1) Eine größere Änderung würde sich aus der Veränderung der Definition der Sekunde ergeben. Das metrische System basiert als seine primäre Zeiteinheit auf der Sekunde, sodass jede solche Änderung alle Systeme beeinflussen würde, die davon abhängen. Laut den Forschern macht die Empfindlichkeit der Uhr gegenüber äußeren Kräften sie zu einem starken Kandidaten für diese Rolle.
2) Testen der Konstanten der Physik
3) Eine so genaue Uhr könnte den Forschern auch helfen, etwas Grundlegendes über das Universum zu lernen: ob die Konstanten, die der Physik zugrunde liegen, einschließlich G, der Gravitationskonstante, im Laufe der Zeit konstant bleiben. Einige Ermittler spekulieren, dass diese Zahlen tatsächlich schwanken könnten, und eine so präzise Uhr könnte winzige Veränderungen erfassen, die andernfalls unbemerkt bleiben würden.
4) „So geben uns ultrapräzise Uhren die Werkzeuge an die Hand, um das zu erforschen“, sagte Barrett.
5) Dass die Zahlen, die das Universum bestimmen, möglicherweise nicht festgelegt sind, hat schwerwiegende Folgen für unser Verständnis seiner Funktionsweise. Ein solches Gerät könnte diese Hypothese auf die Probe stellen.
6) Das Team hinter der Forschung
7) Barrett und sein Team an der National University of Singapore führten die Forschung an. Die Gruppe besteht aus Arnold, K. J., Lee, M. D. K., Zhao, Q., Qin, Q., Zhang, Z. und Jayjong, N. Der Artikel erschien am 23. September in Nature.
8) Dank einer Überprüfung bis zur 19. Stelle wurde ein neuer Standard für das Feld gesetzt. Ein solches Maß an Präzision ist wirklich beeindruckend.
9) Was als Nächstes passiert
10) Die Arbeit an der Neudefinition durch das BIPM im Jahr 2030 wird fortgesetzt, wobei bereits die Grundlagen gelegt werden. Die Forscher haben demonstriert, was erreicht werden kann. Abzuwarten bleibt, ob die Nationen der Welt dies aufgreifen werden.
11) Quellenmaterial: „Physiker enthüllen die genaueste Atomuhr aller Zeiten – und sie könnte die Sekunde buchstäblich neu definieren“, Live Science.
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