Wertvolle Zeit: Die Herausforderung des Aufbaus einer besseren Atomuhr

Ivy Kupec ist ein Medien-Offizier in der US National Science Foundation. Trug sie diesen Artikel, um Live Science Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Vor der Mitte des 18. Jahrhunderts war es schwierig, ein Seemann zu sein – Sie konnte nicht für ein bestimmtes Ziel festgelegt und haben wirkliche Hoffnung der Ost-West Reisen auf Wunsch die Reise schnell finden.

Zu der Zeit hatte Matrosen keine zuverlässige Methode zur Messung der Länge, der Koordinaten, die Messen, wie fernen Osten und Westen eine von der internationalen Datumsgrenze ist. Länge der Schlüssel war präzise Zeitmessung, als der englische Uhrmachers John Harrison wusste, und Uhren nur genaue waren noch nicht.

Um Abstand zu messen, Messen Sie die Zeit

"Wenn Sie möchten auch Entfernungen zu messen, Sie wirklich eine genaue Uhr brauchen", sagte Clayton Simien, ein NSF-finanzierten Physiker an der University of Alabama in Birmingham. Seine aktuellen Forschungen über modernste Atomuhren inspiriert während er ein Nichtgraduierter war Dava Sobels Buch "Längengrad: The wahre Geschichte der ein Lone Genius, die gelöst the größte wissenschaftliche Problem der seine Time" (Walker & Co., 2001).

Durch den 1700er Jahren hatte Segler herausgefunden, konnten sie Breite durch das Studium der Sonne messen und seine Lage zu verschiedenen Zeiten des Tages, also Nord-Süd Reisen war nicht so problematisch. Allerdings muss der Ort wo Länge gleich Null, bekannt als der internationalen Datumsgrenze, ist keine Basis in der Natur. Durch mehrere Umzüge des Nullmeridians in Greenwich, England seit 1884, befindet ist die Platzierung frei wählbar. Wer ist immerhin sagen, deren Tagesanbruch beginnt nächsten Rotation der Erde? [Atomuhr ist So präzise, dass es keine Sekunde für 15 Milliarden Jahre verlieren]

"Wie definieren Sie mal ziemlich willkürlich in dem Sinne, dass in der Vergangenheit wir jährlich mit definiert wie lange braucht die Erde um die Sonne drehen," sagte Simien. "Also, kann grundsätzlich jede regelmäßige, konsequente Bewegung die Grundlage für eine Uhr sein. Früher habe ich zu scherzen mit meinen Verwandten jener Zeit sagen zu können ist wie lange es dauert mir zu gehen und fünf Flüge der Treppe hinunter, während des Essens einer Tasche von Doritos. Aber das wäre eine gute Definition der Zeit. An manchen Tagen könnte ich müde, so dass ich langsamer bewegen. Sie würde nicht wollen, um Zeit auf etwas stützen, die so viel variieren kann."

Matrosen dachte heraus, das wie sie Osten reisten Zeit zog vor – früher als erwartet, zum Beispiel den Sonnenuntergang. In der Tat schreitet anhand der aktuellen Parameter für Zeit, für alle 15 Grad Längengrad Ost, eine Person bewegt sich der Ortszeit voran eine Stunde. Das bedeutete Länge grob durch die Gegenüberstellung der Tageszeit an zwei Stellen gemessen werden kann: Lage des Schiffs und seiner Abfahrtshafen. Aber wie Treppensteigen beim Essen Chips, solche Messungen auch Standards erfordern, die für die Segler bedeutete, dass Gebäude einer Uhr aus Materialien, die nicht rosten und nicht anschwellen oder Vertrag mit Hitze und Kälte, erhalten einen Verweis für die Zeit "nach Hause."

Harrison, englischer Uhrmacher, zusammen eine Uhr der Holzräder – ersetzt die vorherige-von-dem-Stand, ein Pendel mit einem so genannten eine Heuschrecke Hemmung, die auf seiner ersten Reise im Jahre 1736 geholfen, eine 60-Meilen-Kurs Divergenz für sein Schiff zu identifizieren. Dadurch gewann er den Längengrad-Preis für den Bau der ersten kompakten Marinechronometer.

Das Streben nach Verbesserung der Zeitmessung geht heute weiter, wie Wissenschaftler Blick auf neue Materialien, die sind noch robust und präzise, Beseitigung von Variablen, die genaue Zeitmessung verzerren könnten.

Atomuhren in GPS-Satelliten arbeiten mit bodengebundenen Uhren, sodass Signale so weit wie möglich synchronisiert werden. Atmosphärische Verzerrungen stellen Herausforderungen dar, die Signalgenauigkeit hinausgehen die genaueste Atomuhr einschränken können. Also, während die US Air Force mehr als 30 GPS-Satelliten im Orbit betreibt, sind mehrere Regierungsbehörden, einschließlich NSF, US National Institute of Standards und Technologie, das US-Verteidigungsministerium und der US-Marine in Atomuhr Forschung und Technologie investiert.

Aber die Forschung von heute ist nicht nur um Gebäude eine präzisere Zeitmesser. Es geht um grundlegende Wissenschaft, die andere Auswirkungen hat.

Eine Sekunde entspricht einem "Mississippi" oder 9 Milliarden Atom Schwingungen

Atomuhren genau messen die Zecken von Atomen, den Rücken und her Übergang zwischen zwei verschiedenen atomaren Zustände. Die Atome, häufig Cäsium, können von den Grundzustand in einen angeregten Zustand, aber nur übertragen, wenn die Frequenz genau das richtige ist. Die Trick dabei ist nur die richtige Frequenz, direkt zwischen den beiden Staaten und Überwindung Fehler zu bewegen finden, wie z. B. Doppler Verschiebungen, die den Rhythmus zu verzerren.

Heutige genauesten Atomuhren verwenden Laserstrahl-Photonen "cool" Atome auf niedrige Temperaturen, um innerhalb einer Millionstel Grad des absoluten Nullpunkts. Dies reduziert Doppler Verschiebungen und bietet eine lange Zeit zu beobachten, die Atome, die eine Atomuhr Präzision verbessert.

Laser-Technologie hat dazu beigetragen, bessere Kontrolle der Atome, wie z. B. mit optischen Gittern, die Atome in "Pfannkuchen" oder Ei-Karton-artige Strukturen überlagern können, sie zu immobilisieren und Doppler zu beseitigen hilft insgesamt verschiebt. [In Kürze: eine Atomuhr, die in die Hosentasche passen]

Die offizielle "Rhythm" zugeordnet die Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand und angeregten Zustand die Cäsium-Atomen, besser bekannt als die atomaren Übergangs-Frequenz ergibt sich etwas die offizielle Definition von einer Sekunde entspricht: 9.192.631.770 Zyklen der Strahlung, die eine Cäsium-Atom zwischen diesen zwei Energiezustände vibrieren bekommt.

Zukünftige Atomuhren

Die heutige Atomuhren verwenden meist noch Cäsium, so nach NSF-finanzierten Physiker Kurt Gibble Pennsylvania State University, der größte Fortschritt in Zukunft Atomuhren einen Wechsel werden von der Messung der Atome vibrieren bei Mikrowellenfrequenzen, die bei optischen Frequenzen vibrieren.

Heutige atomaren Uhren in GPS-Satelliten, Mobilfunkmasten, die U.S. Naval Observatory master-Clock und vielen anderen Orten in der Welt sind Mikrowellen-Frequenz Uhren. Sind die einzige Uhren, an dieser Stelle, die zuverlässige Zeitmessung, sagte Gibble. Trotz deutlich mehr Genauigkeit verspricht. "Nur die höhere Frequenz macht es viel einfacher, genauer", fügte er hinzu. "So weit, optische Standards laufen nicht lange genug, um Zeit zu halten, aber sie werden bald."

Gibble hat einen internationalen Ruf für die Bewertung der Genauigkeit und Mikrowelle Frequenz Uhren, darunter auch einige der genauesten Uhren der Welt zu verbessern: das Cäsium Uhren des britischen National Physical Laboratory und das Observatorium in Paris in Frankreich. Er erkundet jetzt neue optische Uhren, die diesem Bereich weiter verbessern konnte.

Optische Frequenz Uhren arbeiten tatsächlich auf einer deutlich höheren Frequenz als der Mikrowelle zu, weshalb viele Forscher ihr Potenzial mit verschiedenen Atomen, einschließlich alkalische Metalle der seltenen Erden wie Ytterbium, Strontium und Gadolinium erkunden.

Simien, deren Forschung konzentriert sich auf Gadolinium, hat studiert, minimieren oder beseitigen (wenn möglich) Schlüsselfragen, die Genauigkeit einschränken. Und vor kurzem, Gibble Arbeit auf ein weiterer aussichtsreicher Kandidat, Kadmium.

"Das größte Hindernis, meiner Meinung nach ist heute die schwarzer Körper Strahlung Verschiebung" Simien sagte. "Schwarzer Körper Strahlung Verschiebung ist eine systematische Wirkung." Wir leben in einer thermischen Umgebung, was bedeutet, dass die Temperatur schwankt. Auch wieder in den Tag hatte eine mechanische Uhr Stücke, die erwärmen und ausdehnen oder abkühlen und zusammenziehen würde. Ein Taktgenauigkeit variiert mit seiner Umgebung. Heutige System ist nicht mehr mechanisch und hat besseren Technologie, aber es ist immer noch anfällig für eine thermische Umgebungseffekte. Gadolinium wird voraussichtlich eine deutlich reduzierte Schwarzkörper-Beziehung im Vergleich zu anderen Elementen umgesetzt haben und als neue Frequenzstandards vorgeschlagen. "

Nach Gibble sind optische Uhren so genau, dass sie weniger als eine Sekunde im Zeitalter des Universums, 13,8 Milliarden Jahre verlieren würden. Und zwar Simien und Gibble einig, dass optische Frequenz Atomuhr Forschung die nächste Generation von Atomuhren stellt, die Genauigkeit auf die nächste Stufe, sie erkennen, dass die meisten Menschen nicht wirklich egal, wenn der Urknall vor 13 Milliarden Jahren oder vor 13 Milliarden Jahren passiert ist und eine Sekunde.

"Es ist wichtig zu verstehen, dass eine weitere Ziffer Genauigkeit nicht immer nur fine-tuning etwas, das wahrscheinlich schon gut genug," sagte John Gillaspy, ein NSF-Programm-Direktor, die Finanzierung der Atomuhr-Forschung für die Agentur Abteilung Physik Bewertungen. "Extrem hoher Genauigkeit kann manchmal einen qualitativen Durchbruch bietet einen ersten Einblick in ein völlig neues Reich der Verständnis bedeuten – eine Revolution in der Wissenschaft."

"Um die Mitte des vorigen Jahrhunderts, Willis Lamb eine winzige Frequenzverschiebung führte Theoretiker, Physik neu zu formulieren, as we it Know (nicht zu erwähnen, was ihm einen Nobelpreis) gemessen," erarbeitet Gillaspy. "Bei einer Konferenz gehört gerade in dieser Woche, ich einen Wissenschaftler diskutieren, seine Idee, das GPS-Netz präzises Timing Jagd nach dunkler Materie, eines der bedeutendsten Probleme in der Wissenschaft heute nutzbar zu machen." Wer weiß, wann der nächste Durchbruch kommt, und seien es in die erste Ziffer oder 10.?

"Leider können nicht die meisten Menschen verstehen, warum Physiker in diesem Bereich mehr Genauigkeit Fragen, wie Sie in den letzten Blog-Post angestrebt. Die Kommentator schrieb: "Sie haben es geschafft, die einzige deprimierendste wissenschaftliche Bemühung aller Zeiten zu finden: verbringen Sie Jahre der Forschung versucht, eine ultra-präzisen Uhr genauer zu machen. Wenn sie Erfolg haben, werden nur Elektronen feststellen "... diese Wissenschaftler wissen, dass sie sind in der Tat, der Art der Arbeit zu tun, die die Welt verändern kann."

"Interstellar" und darüber hinaus

Atomuhr Forscher verweisen auf GPS als die sichtbarste Anwendung der Grundlagenforschung, die sie studieren, aber es gibt nur einen Weg, diese grundlegende Arbeit Versprechen hält.

Viele Physiker erwarten, dass es Einblick zu geben, die nicht nur Verständnis der grundlegenden Physik und allgemeine Relativitätstheorie beleuchtet, sondern auch Fortschritte, Quanten-computing, Sensorentwicklung und andere sensible Instrumentierung, die durchdachte Konstruktion, die natürliche Kraft von Schwerkraft, magnetische und elektrische Felder, Temperatur und Bewegung zu widerstehen erfordert.

Finanzanalysten, Teile auch Bedenken über die Millionen, die auf den weltweiten Märkten aufgrund schlecht synchronisierten Uhren verloren gehen könnte. In der Tat fügt am 30. Juni 2015, bei 7:59:59 UTC, die Welt das sogenannte "Schaltsekunde" Sonnenzeit innerhalb 1 Sekunde der Atomzeit zu halten. Jedoch weil die Geschichte gezeigt hat, dass es die meisten Uhren nicht richtig tun, viele wichtige Finanzplätzen planen für einen bestimmten Zeitraum hinweg rund um diese Schaltsekunde heruntergefahren, da es in der Mitte einen Geschäftstag in vielen Teilen der Welt geschieht, besteht die Sorge, die Millionen auf den weltweiten Märkten aufgrund schlecht synchronisierten Uhren verloren gehen könnte.

"Der Grund, warum Sie wollen bessere Uhren nicht um genaue Zeit über einen langen Zeitraum auf die Sekunde zu erhalten." "Es ist die Bedeutung des Seins in der Lage, kleine Zeitunterschiede zu messen", sagte Gibble. "Das GPS befasst sich mit der Zeitunterschied für Licht verbreiten von mehreren GPS-Satelliten. Die Sache zu erinnern ist, dass die Lichtgeschwindigkeit ein Fuß pro Nanosekunde. Möchten Sie wissen, wo Sie sich befinden, mehrere GPS-Satelliten senden ein Signal – eine Radiosendung, die sagt, wo die Satelliten sind und wann das Radio Signal links des Satelliten. GPS-Empfänger erhält die Signale und schaut auf die Zeitunterschiede von Signalen, wenn sie ankommen im Vergleich zu, wenn sie sagten, dass sie gelassen."

Immer ein GPS, führen uns in Wüsten, tropische Wälder, Meere und andere Bereiche, wo Straßen sind nicht etwa als Marker auf dem Weg zu helfen, braucht man Uhren mit NanosekundePräzision in der GPS-Satelliten zu uns verirren.

"Möchten Sie wissen, wo Sie ein paar Füße sind, müssen Sie Timing zu haben eine Nanosekunden — ein Milliardstel einer Sekunde, das 10 bis minus 9 Sekunden," Gibble hinzugefügt. "Wenn Sie diese Uhr für mehr als einen Tag gut sein wollen, müsst dann bereits bei 10 bis minus 14 sein. Wenn Sie das System für zwei Wochen oder länger gehen soll, dann Sie etwas brauchen deutlich besser als die. "

Und dann gibt es die Zukunft zu denken.

"Denken Sie daran, den Film"Interstellar"?" Simien fragt. "Gibt es jemanden auf einem Raumschiff fern, Matthew McConaughey ist auf einem Planeten in einem starken Gravitationsfeld. Er erfährt Realität in Bezug auf Stunden, aber die andere individuelle zurück auf das Raumschiff Jahre Erfahrungen. Das ist allgemeine Relativität. Atomuhren kann testen Sie diese Art von grundlegender Theorie und ihre verschiedenen Anwendungen, die für faszinierende Wissenschaft machen, und wie Sie sehen können, erweitern auch unser Leben."

Alle Experten stimmen Fragen und Debatten zu folgen – und werden Sie Teil der Diskussion – auf Facebook, Twitter und Google +. Die Meinungen sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Meinung des Herausgebers. Diese Version des Artikels erschien ursprünglich am Leben Wissenschaft.