Einfachste Uhr noch? Einzelnes Atom sagt Zeit


Eine Uhr basierend auf nur ein einzelnes Atom – die einfachste Uhr noch — ist jetzt geplant worden, sagen Forscher.

Dieses neue Gerät Zeit messen könnte helfen, zu einem radikal neuen Masse definieren, führen Wissenschaftler hinzugefügt.

Darüber hinaus dieses Ergebnis legt nahe, dass Forscher eines Tages noch exotischere Uhren zu bauen könnte – basierend auf Antimaterie, oder überhaupt keine Partikel abhängig.

Grundsätzlich messen alle Uhren die Zeit unter Berufung auf Teile, die Verhalten in regelmäßigen Muster wiederholen. Beispielsweise wird ein Jahr definiert wie lange es für die Erde dauert um eine Umlaufbahn um die Sonne zu vervollständigen.

Die genauesten Uhren, die derzeit vorhanden sind Atomuhren. Diese hängen davon ab, wie Atome zwischen zwei unterschiedlichen Energieniveaus wechseln. Im Wesentlichen diese Uhren verlassen sich auf mindestens zwei Teilchen – der Kern eines Atoms und ein Elektron springt hin und her zwischen den verschiedenen Ebenen von Energie.

Prägende Zeit

Jedoch könnte Uhren noch einfacher erhalten?

"Uns hat interessiert, was die einfachste Uhren sind, erkunden die Frage, was es ist," sagte der Forscher Holger Müller, ein Physiker an der University of California in Berkeley. "Wenn Sie, dass, sagen sagen, nicht Sie Zeit mit weniger als zwei Teilchen, heißt, die, dass alles unterhalb zweier Teilchen überhaupt erleben nicht, Messen?"

Die Forscher die Theorie, dass es möglich war, eine Uhr, bestehend aus nur einem Partikel erstellen. Um zu verstehen, man beginnt mit Einsteins berühmte Formel E = Mc2, die zeigten, dass Materie und Energie umgewandelt werden kann. Eine Folge davon, genannt de Broglie Materiewelle Hypothese, besagt, dass Materie auch wie Wellen Verhalten kann. So kann ein Teilchen der Materie im Prinzip wie eine Welle Verhalten, die in einer regelmäßigen Weise, so benimmt sich wie eine Uhr oszilliert. [Was ist das? Antworten auf Ihre Fragen der Physik]

"Wir haben gezeigt, dass ein einzelne Teilchen wirklich Zeit messen kann", sagte Müller LiveScience.

Das Problem mit der Herstellung einer Uhr von einem Teilchen der Materie ist, dass die Frequenz, bei der es oszilliert "so hoch, dass man nie in der Lage, es zu messen sein sollte sein sollte", sagte Müller. Um diese Hürde zu überwinden, stützten sich die Wissenschaftler auf ein Phänomen bekannt als Zeitdilatation, eine weitere Folge von Einsteins Relativitätstheorie. Dies deutet darauf hin, dass Objekte entfernt und zurück zu einem Ort bewegen, erleben sie weniger verstrichene Zeit als Objekte, die an dieser Stelle die ganze Zeit blieb.

Spaltung von Atomen

Die Forscher neu dieses Phänomen mit Hilfe von Lasern auf Cäsium-Atomen. "Wir im Wesentlichen ein Atom in zwei Hälften geteilt, und hatte eine bleiben wo es ist und die andere nach vorne gehen und kommen zurück", sagte Müller. "Eine kleine bisschen weniger Zeit vergangen für die Hälfte, die verschoben, so dass es weniger oszillierte."

Die Tatsache, dass man, dass die Hälfte des Atoms schwankte weniger als die andere, die meinte, als diese Hälften sind wieder vereint, sie nicht, perfekt rekombinieren, aber Störungen aufgetreten, die sind die Wissenschaftler messen konnten. Durch die Kenntnis der Größe dieser Diskrepanz und das Ausmaß, zu dem die Forscher das Atom gestört, konnten die Forscher die ursprüngliche Frequenz ableiten, an dem das Atom schwankte.

Der beweglichen des Atoms nahm etwa ein Drittel der zweiten weniger als die andere Hälfte auf seiner Rundreise machen. Jede Hälfte des Atoms gemacht über 10 ^ 25 Schwingungen – eine 1 mit 25 Nullen dahinter gleich 9223372.036854775807 Billionen – aber der beweglichen etwa 100.000 weniger Schwingungen als die noch Hälfte gemacht.

"Wir haben bewiesen, dass Sie eine Uhr aus einem massiven Einzelkorn machen können", sagte Forscher Justin Brown, ein Physiker an der University of California in Berkeley. [Verrückte Physik: die coolsten kleine Partikel in der Natur]

Zur Zeit dieses neuen Clockcan erzählen Zeit über als gerade als die ersten Atomuhren, die vor etwa 60 Jahren entwickelt und über eine Milliarde Mal weniger genau als die besten aktuellen Atomuhren, bekannt als optische Uhren. Obwohl es weiterhin ungewiss bleibt, ob diese neue Uhr immer die Leistung von optischen Uhren entsprechen, die Forscher sagen, es könnte helfen, ein Problem heute über eines der weltweit wichtigsten Maßeinheiten zu lösen – das Kilogramm.

Seit 1889 wurde das Kilogramm definiert als die Masse aus einem speziellen Golf-Ball-Größe Zylinder von Platin und Iridium, das in einem Tresor außerhalb von Paris untergebracht ist. Das Problem mit der Definition des Kilogramms auf dieses Objekt – offiziell als internationale Prototyp Kilogramm und besser bekannt als Le Grande K bekannt – ist, dass Verunreinigungen an der Oberfläche absetzen können es Gewichtszunahme während Reinigung machen es Gewicht zu verlieren, könnte möglicherweise verheerend auf eine der Hauptmethoden Wissenschaft beschreibt alles im Universum.

Als solche haben Forscher in den letzten Jahren versucht, das Kilogramm nicht willkürlich auf ein Artefakt, sondern auf mehr Naturkonstanten basieren. Die neue Uhr, die Müller und seinen Kollegen entwickelt verbindet Zeit mit der Masse eines Atoms. Als solche nicht nur Atome genutzt werden um Zeit zu messen, sondern auch Zeit zu helfen, Masse definieren genutzt werden.

Zum Beispiel als neuen standard Gewichte können Wissenschaftler fertigen unglaublich reine Kristallen aus Silizium genannt Avogadro Sphären, die sind so präzise, dass die Zahl der Atome erstellt, die innen für hohe Genauigkeit bekannt ist.

"Unsere Uhr und die aktuelle beste Avogadro Sphären eine der besten Realisierungen des neu definierten Kilogramm machen würde", sagte Müller. "Zu wissen, die ticken bei unserer Uhr um zu wissen, die Masse des Teilchens entspricht, und sobald die Masse eines Atoms bekannt ist, können die Massen anderer darauf bezogen werden."

Es gibt weitere Strategien, die auf die sich das Kilogramm stützen vorhanden sind – zum Beispiel mithilfe von sogenannten eine Watt-Waage, die magnetische Kraft verwendet, um Objekte zu schweben, definieren ihre Massen von wie viel sie als Reaktion auf das Magnetfeld schweben.

"Es ist gut, mehrere Möglichkeiten zur Messung der Masse – es bietet eine Gegenprüfung aus Gründen der Kohärenz" Müller sagte.

Zukunft der Messzeit

In Zukunft Müller vorgeschlagen, es könnte möglich sein, erstellen Sie noch einfachere Uhren – diejenigen, die auf keine Partikel überhaupt basieren. Quanten-Theorie besagt, dass was mag Vakuum tatsächlich mit "virtuellen Teilchen", die regelmäßig ein-und Existenz, Erzeugung von messbaren Kräften pop gefüllt ist.

"Wäre es faszinierend zu sehen, ob wir eine Uhr, basierend auf Null Partikel — Sie brauchen noch nicht einmal ein Teilchen, allein die hypothetische Möglichkeit eines Partikels zur Zeit zu messen", sagte Müller.

Eine weitere interessante Möglichkeit entwickelt eine Version dieser Uhr, die auf Antimaterie anstelle von normaler Materie basiert. Als Antimaterie in Kontakt mit der normalen Materie gebracht wird, vernichtet es sein Gegenstück. Eines der größten Geheimnisse des Universums ist, warum der sichtbaren Materie im Universum fast alle normalen Materie und keine Antimaterie ist. [Die 9 größten Geheimnisse in der Physik]

"Kann man eine Antimaterie-Uhr laufen für ein Jahr als die Erde bewegt sich näher an der Sonne und dann weiter Weg, da die Erdbahn um die Sonne nicht kreisrund, sondern leicht elliptisch ist. Dies bedeutet, dass die Stärke des Gravitationsfeldes erfährt es im Laufe der Zeit verändern würde", sagte Müller. "Es wäre interessant zu vergleichen, eine Uhr von normaler Materie mit einer Uhr von Antimaterie, um festzustellen, ob sie dasselbe in Bezug auf Schwerkraft wie erwartet Verhalten. Ein solcher Test von den Gesetzen der Physik wäre faszinierend, wenn festgestellt wurde, dass Materie und Antimaterie anders verhalten."

Die Wissenschaftler ihre Ergebnisse detailliert Online-Jan. 10 in der Fachzeitschrift Science.

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