10 seltsame Fakten über Atomuhren

Der Begriff „Atomuhr“ mag beängstigende Bilder aus den 1950er-Horrorfilmen heraufbeschwören: Ein Doomsday -Gerät, das von einem Verrückten im Laborkittel in einer Bergfestung konstruiert wurde, tickt die Sekunden, bevor es unseren gesamten Planeten auslöscht. In Wirklichkeit sind Atomuhren jedoch eine der harmloseren Erfindungen, die aus der Explosion – oops, vielleicht nicht die beste Wortwahl – des Wissens über die Funktionsweise des Atoms und seiner Bestandteile hervorgegangen sind. Dieses Wissen kam im Zuge des Manhattan-Projekts im Zweiten Weltkrieg zur Entwicklung der Atombombe.

Im Gegensatz zur Bombe spalten Atomuhren jedoch keine Atome und sie explodieren nicht. Stattdessen verwenden sie Schwingungen – das heißt, die Änderung des Flusses elektrischer Ladung – zwischen einem Atomkern und den umgebenden Elektronen, so wie eine altmodische Standuhr ein Pendel verwenden könnte. Da die Schwingung eines Atoms unglaublich kleine Zeiteinheiten umfasst – ein Cäsiumatom zum Beispiel hat eine Frequenz von 9.192.631.770 Zyklen pro Sekunde – und außerordentlich konsistent ist, kann eine Uhr, die auf diese Schwingung eingestellt ist, die Zeit viel besser halten als dieser alte Großvater Uhr [Quelle: Britannica ].

Aus diesem Grund sind Atomuhren seit ihrer Erfindung Ende der 1940er Jahre zu einem entscheidenden Werkzeug in einer modernen, von Technologie abhängigen Welt geworden. Atomuhren ermöglichen es, die Zeit über komplexe Systeme hinweg zu synchronisieren, vom Internet bis zum System der Global Positioning Satellites.

Aber für etwas, das zu einem so normalen und hilfreichen Teil unseres Lebens geworden ist, bleiben Atomuhren immer noch ein bisschen geheimnisvoll und mysteriös. Hier sind einige der unzähligen seltsamen und überraschenden Fakten über diese hilfreichen Geräte.

1. Atomuhren haben die Art und Weise verändert, wie wir gemeinsame Zeiteinheiten berechnen
2. Eine Atomuhr verwendet ein einzelnes Elektron von jedem Cäsiumatom, um die Zeit zu halten
3. Atomuhren sind jetzt unglaublich zuverlässig, aber die ersten waren es nicht
4. Cäsium, das Material, das in Atomuhren verwendet wird, ist eine Art komisches Element
5. Eine Atomuhr verwendet tatsächlich ein Stück Quarz, kein Cäsiumatom, um die Zeit anzuzeigen
6. 2008 wurde jeder Atomuhr auf der Erde gleichzeitig eine Sekunde hinzugefügt
7. Eine Atomuhr wurde verwendet, um zu beweisen, dass man umso schneller altert, je höher man über dem Meeresspiegel lebt
8. Wissenschaftler machen Atomuhren genauer, indem sie Laserstrahlen verwenden
9. Atomuhren machen Ihre Telefongespräche verständlich
10. Eine Atomuhr der nächsten Generation kann möglicherweise die perfekte Zeit mit dem Universum halten

Als die Menschen vor Tausenden von Jahren begannen, den Lauf der Zeit zu verfolgen, taten sie dies, indem sie die scheinbare Bewegung der Sonne über den Himmel beobachteten – die tatsächlich auf die Erdrotation zurückzuführen war – und Zeiteinheiten auf dieser Reise basierten. Traditionell wurde beispielsweise eine Sekunde als 1/86.400 der durchschnittlichen Länge eines Sonnentages definiert.

Aber mit dem Aufkommen von Atomuhren , die viel zuverlässiger waren als die Bewegung der Erde selbst, wurde es notwendig, diesen Standard zu ändern. 1967 wurde die Sekunde neu definiert als die Zeit, die ein Atom des Isotops Cäsium 133 brauchte, um 9.192.631.770 Zyklen zu oszillieren [Quelle: Sciencemuseum.org.uk ].

Wie wir bereits erklärt haben, umkreisen Elektronen das Zentrum eines Atoms , das Kern genannt wird. Stellen Sie sich eine extrem kleine Version unseres Sonnensystems vor, mit Planeten, die sich um die Sonne drehen, und Sie werden die allgemeine Idee verstehen. Physiker haben entdeckt, dass Elektronen erstaunlich regelmäßig in ihren Bewegungen sind – sie neigen dazu, in einem engen Bereich von Umlaufbahnen zu bleiben, wobei die Entfernung vom Kern davon abhängt, wie viel Strahlung sie zu einem bestimmten Zeitpunkt emittieren. Der Abstand zwischen der niedrigsten Bahn und der höchsten Bahn, auf der sich ein Elektron bewegt, ist die Frequenz.

Beim Cäsium, das in Atomuhren verwendet wird, konzentrieren sich Wissenschaftler nur auf eines der 55 Elektronen des Elements – das äußerste, das eine auffällig höhere Umlaufbahn als die anderen einnimmt. Der Energieunterschied zwischen der kernnächsten Bahn des äußersten Elektrons und seiner entferntesten Bahn entspricht einer Radiofrequenz von 9.192.631.770 Zyklen. Das ist der Teil, den Wissenschaftler tatsächlich verwenden, um die Zeit zu berechnen und sie in unglaublich kurze Einheiten von weniger als einer Milliardstel Sekunde aufzuteilen [Quelle: Sciencemuseum.org.uk ].

1948 baute das US National Bureau of Standards die erste Atomuhr der Welt . Anstelle von Cäsium verwendete die erste Uhr Ammoniakatome, die erhitzt und aus einem Kupferrohr geschossen wurden. Während die erste Uhr bewies, dass das Konzept der Atomuhren funktionierte, wurde sie nie wirklich zur Zeitmessung verwendet. Die erste Atomuhr ging alle vier Monate um etwa eine Sekunde vor. Das machte es weniger zuverlässig als eine bestehende Technologie, die Quarzuhr , die die Schwingung eines Quarzstücks maß, wenn eine elektrische Ladung daran angelegt wurde.

Schließlich wechselten die Wissenschaftler zur Verwendung von Cäsium, das kürzere Schwingungen aufwies, und verbesserten das Design auf verschiedene Weise. Ein Modell von 1959 schaffte es, die Zeit mit einem Fehler von einer Sekunde pro 2.000 Jahre zu halten, und bis 1964 waren die Uhren so genau geworden, dass es 6.000 Jahre dauerte, bis sie eine Sekunde verloren oder gewonnen hatten. Heute würde eine hochmoderne Atomuhr nach 6 Millionen Jahren Gebrauch nur um eine Sekunde abweichen [Quelle: Sciencemuseum.org.uk ].

Für den Anfang wird es manchmal "Cäsium" geschrieben. Cäsium wurde 1860 von Robert Bunsen entdeckt, der den Chemiestudenten der High School besser als der Erfinder des Bunsenbrenners bekannt war. Und es ist so seltsam faszinierendes Material, dass es Anfang der 1990er Jahre zur Gründung einer Internet-Newsgroup, Alt.cesium, inspirierte, die sich der „Diskussion, dem Lob, der Verehrung und Anbetung, dem Posten von Liedern, Gedichten, Geschichten und Gleichnissen“ widmete und über dieses erhabenste aller Elemente“ [Quelle: Nelson ]. Allgemein bekannt als „das andere goldene Metall“, ist es eines von nur drei Metallen, die nicht grau oder silbern glänzend sind (die anderen beiden sind Gold und Kupfer) [Quelle: Scientific American ].

Die in der Natur vorkommende Art von Cäsium, Cäsium 133, ist ziemlich schwer zu lokalisieren. Die natürliche Quelle, die die größte Menge davon liefert, ist ein seltenes Mineral namens Pollucit, das in den USA in Erzen aus Maine und South Dakota vorkommt. Obwohl es ein Metall ist, schmilzt Cäsium bei einer sehr niedrigen Temperatur – 82 Grad Fahrenheit (22,7 Grad Celsius) – und explodiert, wenn es mit kaltem Wasser in Kontakt kommt [Quelle: Argonne National Laboratory ]. In der Luft fängt es manchmal spontan Feuer und brennt mit einer brillanten himmelblauen Flamme [Quelle: Nelson ].

Sie sind wahrscheinlich ein wenig verwirrt darüber, da wir die ganze Zeit damit verbracht haben, Ihnen zu sagen, wie viel genauer eine Atomuhr ist, weil sie die Oszillation von Cäsium nutzt. Aber der Teil der Uhr, der die Zeit tatsächlich anzeigt, ist ein Standard-Quarzoszillator, der ein Stück des Kristalls elektrischem Strom aussetzt, um ihn zum Schwingen zu bringen. Der Unterschied besteht in den meisten gewöhnlichen Quarzuhren, wird der Oszillator beim Bau der Uhr genau abgestimmt, aber seine Frequenz wird danach nie überprüft oder eingestellt, was bedeutet, dass sich im Laufe der Zeit leichte Schwankungen entwickeln, die die Uhr ein wenig schnell oder etwas langsam machen. In einer Atomuhr wird jedoch die Schwingung des Cäsiums verwendet, um die Frequenz des Quarzgeräts zu überprüfen, was der Uhr eine so erstaunliche Genauigkeit verleiht [Quelle: Sciencemuseum.org.uk ].

Am 31. Dezember 2008, kurz vor 19 Uhr, stellten Wissenschaftler die Atomuhren rund um den Globus genau eine Sekunde vor, um die koordinierte Weltzeit (UTC), den internationalen Standard für Atomuhren, mit der Erdrotation zu synchronisieren. Es waren nicht die Uhren, die ausgingen, sondern der Planet, dessen Rotationsgeschwindigkeit jeden Tag um etwa zwei Millisekunden durch eine Vielzahl von Bremsen verlangsamt wird: Weltraumstaub, magnetische Stürme, Sonnenwinde, Widerstand aus seiner eigenen Atmosphäre und vor allem , das Ziehen der Schwerkraft des Mondes auf der Erde, das nicht nur Meeresgezeiten verursacht, sondern auch den gesamten Planeten ausbeulen lässt.

The effect of all that is to lengthen the solar day, and throw it ever so slightly off in comparison to our super-accurate atomic clocks. It would take hundreds of years for the discrepancy to become noticeable, so that the position of the sun in the sky would be different from the time on a house clock, (which you've probably set according to the correct time phone number, which is based on the UTC). To prevent that from ever happening, in 1972, an international agreement decreed that atomic clocks periodically would be adjusted in unison [source: Dowling].

Die Vorstellung, dass jemand, der auf einem Berg lebt, schneller altert als ein Mensch, der am Strand lebt, mag ein wenig absurd erscheinen, aber es ist tatsächlich die Wahrheit. Dieses Konzept wurde erstmals vor etwa einem Jahrhundert vom Physiker Albert Einstein entwickelt, dessen Theorie der speziellen Relativitätstheorie postulierte, dass die Zeit nicht konstant, sondern relativ ist. (Deshalb nennen sie es Relativität.) Im Jahr 2010 führten James Chin-Wen Chou und Kollegen vom National Institute of Standards and Technology (NIST) ein Experiment durch, um Einsteins Argumentation zu testen. Sie positionierten zwei Atomuhrenungefähr 30 Zentimeter voneinander entfernt über dem Meeresspiegel und stellte fest, dass die höhere der beiden Uhren etwas schneller lief. In Wirklichkeit wäre der Unterschied jedoch nicht bemerkbar; Laut Chou [Quelle: Connor ] würde der Bergbewohner über ein 79-jähriges Leben etwa 90 Milliardstel Sekunden schneller altern .

Wenn Sie jemals diese Szene im Film „Goldfinger“ gesehen haben, in der der Bösewicht droht, James Bond mit einem Laser in zwei Hälften zu schneiden, fragen Sie sich wahrscheinlich, warum ein Laser nicht stattdessen ein Loch durch eine Atomuhr brennt damit es präziser läuft. Letzteres kann es aber tatsächlich. Geduld mit uns, denn das wird ziemlich kompliziert.

Atomuhren bombardieren im Wesentlichen Cäsiumatome mit Mikrowellen, um eine Aktion hervorzurufen, die Wissenschaftler dann messen können. Die Einschränkung herkömmlicher Atomuhren besteht darin, dass sie nur einen kleinen Teil der Cäsiumatome mit der Mikrowelle erfassen können. Indem die Atome einem Laserstrahl ausgesetzt werden – ein Prozess, der als laseroptisches Pumpen bezeichnet wird – können Sie die Geschwindigkeit der Atome verlangsamen, wodurch die Mikrowellen eine größere Chance haben, sie zu treffen. Das wiederum sorgt für ein präziseres Signal, das es Wissenschaftlern ermöglicht, die Cäsium-Oszillation zu nutzen, um die Zeit noch genauer zu bestimmen. Seltsamerweise kühlt der Prozess auch die Cäsiumatome ab, bis auf einige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt auf der Kelvin-Skala [Quelle: Buell und Jaduszliwer ].

Heutzutage übertragen Telekommunikationsunternehmen Telefonanrufe in Stücken, die als Pakete bezeichnet werden, was es ihnen ermöglicht, eine große Anzahl von Gesprächen gleichzeitig durch ihre Drähte zu pumpen. Wenn Sie jemanden in einer anderen Stadt anrufen, werden Ihre Worte zerlegt und zwischen Computern an jedem Ende übertragen, die zwischen einem Gespräch und einem anderen hin- und herwechseln, tausende Male pro Sekunde. Damit das funktioniert, müssen die beiden Computer jedoch perfekt synchron bleiben, wie zwei unglaublich flinke Tischtennisspieler, die mit rasender Geschwindigkeit das Äquivalent einer Wagenladung kleiner Bälle aufeinander schlagen können und keinen einzigen verpassen. Wenn sie verfehlen, werden die Anrufe durcheinander gebracht und klingen wie Kauderwelsch. Aus diesem Grund haben Telekommunikationsunternehmen heutzutage ihre eigenen Atomuhren, um dies zu verhindern, indem sie die Computer jederzeit nahezu perfekt im Takt halten [Quelle: Sciencemuseum.org.uk].

Wissenschaftler träumen immer wieder von Möglichkeiten, Atomuhren herzustellenimmer genauer, aber Forscher des Georgia Institute of Technology und der University of Nevada schlugen kürzlich einen wirklich überwältigenden Fortschritt vor. Stark vereinfacht gesagt, hier ist der Deal: Sie wollen Laser verwenden, um die Teile eines Atoms neu anzuordnen, damit sie anstelle eines Elektrons ein umkreisendes Neutron als Äquivalent eines Pendels verwenden können. Das Ergebnis könnte eine Uhr sein, die 100-mal genauer wäre als jede derzeit existierende Uhr, so präzise, ​​dass sie in 14 Milliarden Jahren nur weniger als eine Zwanzigstelsekunde verlieren oder gewinnen würde. Bedenken Sie Folgendes: Das Universum selbst ist ungefähr 14 Milliarden Jahre alt. Wenn diese Uhr also irgendwie in einer Zeitmaschine in den Moment des Urknalls zurückgeschickt werden könnte, der alles begann, würde sie heute noch ticken.Tägliche Wissenschaft ].

Anmerkung des Verfassers

Ich war schon immer fasziniert von Zeitmessung und Uhren, und als Grundschüler in den 1960er Jahren lernte ich zum ersten Mal von den Wundern der Atomuhren, die winzige Zeiteinheiten mit unglaublicher Präzision messen konnten. Aber bis ich anfing, für dieses Stück zu recherchieren, war mir nie in den Sinn gekommen, dass es möglich wäre, eine Uhr zu konstruieren, die die Zeit genauer angibt als die Erdrotation. Da aber Atomuhren verwendet wurden, um Einsteins Theorie zu beweisen, dass die Zeit relativ zur eigenen Position und Geschwindigkeit und nicht konstant ist, muss ich mich fragen, ob es überhaupt so etwas wie eine korrekte Zeit gibt. Ich denke, das werde ich das nächste Mal als Ausrede benutzen, wenn ich zu spät zu einer Deadline komme!

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