Warum brauchen wir super genaue Atomuhren?
(Innen Wissenschaft) — Die GPS empfänger in ihrem auto oder handy funktioniert durch hören zu satelliten broadcast ihre zeit und lage. Sobald der Empfänger vier Satelliten „erfasst“ hat, kann er durch Vergleich der Signale seine eigene Position berechnen. Da die Signale mit Mikrowellen ausgestrahlt werden, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, könnte ein Fehler von einer Millionstel Sekunde auf einer GPS-Satellitenuhr Sie eine Viertelmeile vom Kurs abbringen.Glücklicherweise halten die Atomuhren auf GPS-Satelliten aufgrund ihrer unglaublichen Stabilität und regelmäßigen Synchronisation einen Fehler von weniger als 1 Milliardstel Sekunde aufrecht.
Heute können die besten Uhren, an denen Wissenschaftler arbeiten, es noch besser machen – mehr als eine Million Mal besser durch einige Maßnahmen. Diese absurd guten Uhren können neue Anwendungen ermöglichen, die so unvorstellbar sind wie GPS, von der Vorhersage von Erdbeben bis zur Entdeckung völlig neuer Physik.Doch nicht alle Hochleistungsuhren sind gleich – es gibt eine Reihe von Designs, und einige hochmoderne Uhren eignen sich besser für bestimmte Anwendungen als andere. Um zu verstehen, warum – und um die Leistung einer Uhr allgemeiner zu verstehen – müssen wir zuerst zwei grundlegende Konzepte in der Statistik verstehen: Präzision und Genauigkeit.
Pfeile und Uhrzeiten
Stellen Sie sich einen Bogenschützen vor, der zehn Pfeile geschossen hat. In diesem Szenario ist Präzision eine Messung der Positionen der Pfeile relativ zueinander und Genauigkeit eine Messung ihrer Positionen relativ zum Bullseye. Ein präziser Bogenschütze ist nicht unbedingt ein genauer und umgekehrt.
Copyright American Institute of Physics (Nachdruckinformationen)
Die Genauigkeit einer Atomuhr archer ist analog zu einem Konzept namens Taktstabilität. Wenn man sich jeden Tick der Uhr als einen Schuss vorstellt und das Bullseye so trifft, dass zwischen jedem Tick genau die richtige Zeit eingehalten wird, dann würde eine präzise, aber nicht genaue Uhr entweder langsamer oder schneller als die gewünschte Zeit ticken. Andererseits würde eine genaue, aber ungenaue Uhr manchmal schneller und manchmal langsamer ticken, aber die akkumulierten Fehler würden sich im Laufe der Zeit etwas ausgleichen.“Es gibt viele Anwendungen, die nur eine wirklich gute Stabilität benötigen, und dann gibt es eine Reihe von Anwendungen, bei denen nur Stabilität nicht ausreicht, und Sie brauchen auch Genauigkeit“, sagte Andrew Ludlow, Physiker vom National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado.Telekommunikations- und Navigationssysteme erfordern im Allgemeinen stabile Uhren, aber sie müssen nicht sehr genau sein, sagte er. Auf der anderen Seite müssen Atomuhren, mit denen Physiker eine Sekunde definieren, auch wirklich genau sein.
Eine natürliche Unschärfe
Derzeit ist die Stabilität von Uhren im Allgemeinen durch experimentelle Probleme wie Lasertechnologien in optischen Uhren begrenzt. Aber nehmen wir an, wir können eine Uhr bauen, die frei von technologischen Einschränkungen ist, es wird immer noch eine fundamentale Instabilität geben, die mit der Uhr verbunden ist, gebunden an die Gesetze der Quantenphysik, die durch diese Gleichung gegeben sind.
Auf der linken Seite haben wir die Stabilität, die einheitenfrei ist, wie bei einem σ-Wert von 0.1 würde für Ihre Messung eine Unsicherheit von zehn Prozent bedeuten. Diese Stabilität wird durch die Parameter auf der rechten Seite bestimmt, wie unten beschrieben.
- ω: Die „tickende“ Frequenz der Zeitmessquelle, gemessen in Zyklen pro Sekunde oder Hertz (Hz). Für ein Cäsium-133-Atom, das jede Sekunde Strahlung mit 9.192.631.770 Zyklen abgibt, wäre die Zahl 9.192.631.770 Hz;
- N: die Anzahl der „Zeitnehmer“, zum Beispiel die Gesamtzahl der von der Uhr verwendeten Cäsiumatome;
- t: die Zykluszeit, die die Länge jeder Messung für eine vorbestimmte Anzahl von „Ticks“ ist, hängt vom Design der Uhr ab. Wenn beispielsweise eine Uhr so ausgelegt ist, dass sie jede Sekunde einen Datenpunkt registriert, ist t einfach 1 Sekunde.
- m: die Gesamtzahl der Messungen während des Experiments. Wenn beispielsweise die Länge des Experiments eine Minute beträgt und die Uhr jede Sekunde einen Datenpunkt registriert, ist m 60.
Lassen Sie uns dies nun mit einigen Zahlen testen. Für eine Uhr, die die Zeit hält, indem sie ein Quantenphänomen misst, das eintausend Billionen Mal pro Sekunde auftritt, wäre ω 1015 Hz, und wenn sie jedes Mal, wenn sie nach dem Phänomen sucht, eine Sekunde zählt, wäre t 1 Sekunde. Für N können wir den Wert 1.000 annehmen, und für m können wir 86.400 verwenden, die Gesamtzahl der Sekunden an einem Tag.
Für eine Tagesmessung wäre die stabilitätsbezogene Unsicherheit unserer theoretischen Uhr (1,71 x 10-20) x 86.400 s = 1.5 x 10-15 s oder 1,5 Femtosekunden.
Da diese natürliche Unschärfe der Uhr direkt mit dem Design der Uhr zusammenhängt, kann man theoretisch die Stabilität weiter verbessern, indem man den Nenner so groß wie möglich macht. Dies kann erreicht werden, indem man wählt, ein natürliches Phänomen zu messen, das bei einer superhohen und regelmäßigen Frequenz auftritt, was zu einem größeren ω führt, oder mehr Quellen gleichzeitig zu messen, was zu einem größeren N führt.
Jede dieser Entscheidungen stellt ihre eigenen einzigartigen technologischen Herausforderungen dar, die Sie manchmal mit dem anderen Teufel im Detail – der Genauigkeit – in Konflikt bringen.Im Gegensatz zur universellen Gleichung zur Berechnung des Niveaus des Quantenrauschens, das die Stabilität einer Uhr bestimmt, kann die Genauigkeit einer Uhr – oder mit anderen Worten, wie nahe ihre Tickrate den Erwartungen entspricht – durch eine endlose Liste von Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung beeinflusst werden.
Was ist falsch daran, einen Tag als … einen Tag zu definieren?
Eine Sekunde ist derzeit definiert als die Dauer von 9.192.631.770 Perioden der Mikrowellenstrahlung von einem spezifischen Übergang eines Elektrons, das in einem Cäsium-133-Atom bei einer Temperatur von 0 K schwimmt.
Was für eine ungeschickte Definition, mögen Sie denken. Wie kommt es, dass wir die Sekunde nicht intuitiver definieren können, wie in einer sechzigstel Minute, die eine sechzigstel Stunde ist, die eine vierundzwanzigstel eines Tages ist, die durch eine vollständige Rotation der Erde definiert ist?So pedantisch es auch scheinen mag, die Länge eines Tages auf der Erde ist für moderne wissenschaftliche und technologische Anwendungen nicht konsistent genug. Jedes Mal, wenn ein Erdbeben, ein Meteoriteneinschlag oder sogar ein neuer Damm gebaut wird, verschiebt sich die Länge eines Erdentages um den Bruchteil einer Sekunde. Zum Beispiel verlängert die Gezeitenkraft des Mondes unseren Tag jeden Tag um einige Nanosekunden.
„Magnetfelder und elektrische Felder können beispielsweise die Tickrate der Uhr stören, aber der Effekt hängt von den Details der Uhr ab“, sagte Ludlow. „Wir können Modelle entwickeln, um zu verstehen, wie sie sich auf die Uhren auswirken, aber sie sind in keiner Weise universell.“
Die Flut externer Faktoren, die dazu führen können, dass eine hochempfindliche Uhr im Laufe der Zeit schneller oder langsamer driftet, mag auf den ersten Blick wie ein Ärgernis erscheinen. Aber wenn wir diese Effekte gut genug verstehen können, halten sie tatsächlich den Schlüssel zu ganz neuen Anwendungswelten bereit.
Die ungenaue Uhr eines Mannes ist der Schatz eines anderen Mannes
GPS-Satelliten bewegen sich mit etwa 8.700 Meilen pro Stunde über unseren Himmel und bewegen sich schnell genug, damit Einsteins spezielle Relativitätstheorie einen spürbaren Einfluss auf ihre Uhren hat und sie jeden Tag um 7 Mikrosekunden verlangsamt.Da sie sich jedoch in einer Höhe von mehr als 12.000 Meilen bewegen, führt die geringere Schwerkraft, die GPS-Satelliten erfahren, auch dazu, dass die Uhren jeden Tag 45 Mikrosekunden schneller werden, wie von Einstein vorhergesagt. Diesmal mit seiner allgemeinen Relativitätstheorie.
Siehe da, im Vergleich zu Uhren auf der Erde beschleunigen sich die Uhren an Bord von GPS–Satelliten tatsächlich um (45 – 7) = 38 Mikrosekunden. Jeder. Einzigen. Tag.Da diese Uhren gut genug sind, um die Auswirkungen externer Faktoren wie eine Änderung der Schwerkraft zu berücksichtigen, können wir sie verwenden, um diese Effekte zu messen – genau wie professionelle Bogenschützen anhand ihrer Pfeile erkennen können, in welche Richtung der Wind wehte.Zum Beispiel sollte ein Netzwerk von superstabilen Uhren in der Lage sein, Gravitationswellen bei Frequenzen zu detektieren, die für Laserinterferometer unzugänglich sind, derzeit das einzige Instrument, das empfindlich genug für diese winzigen Wellen durch die Raumzeit ist. Eine Uhr mit einer Stabilität von 10-20 wäre in der Lage, den geplanten weltraumgestützten Gravitationsdetektoren einen Lauf für ihr Geld zu geben. Eine Hochleistungsuhr kann auch in der Lage sein, winzige Gravitationsänderungen tief unter der Erde zu erfassen, die Bedingungen signalisieren, die für ein Erdbeben oder einen Vulkanausbruch reif sind.
Wissenschaftler nutzen diese superstabilen und genauen Uhren bereits, um nach völlig neuer Physik zu suchen. Zum Beispiel testen sie, ob fundamentale Konstanten tatsächlich konstant sind, und bieten neue Wege, um das jahrzehntelange Rätsel der dunklen Materie und der dunklen Energie zu untersuchen.Anmerkung des Herausgebers (12. September 2019): Diese Geschichte wurde bearbeitet, um den Standort des NIST-Büros, in dem Andrew Ludlow arbeitet, zu korrigieren.