Machen Sie sich bereit für die neue, verbesserte Sekunde

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Die zeitgenössische Zivilisation, heißt es, wäre ohne Messung unmöglich. Und die Messung wäre sinnlos, wenn wir nicht alle die gleichen Einheiten verwenden würden.

Seit fast 150 Jahren haben sich die Metrologen der Welt auf strenge Definitionen für Maßeinheiten durch das Internationale Büro für Maß und Gewicht geeinigt, das unter seinem französischen Akronym BIPM bekannt ist und seinen Sitz außerhalb von Paris hat.

Heute regelt das Bureau die sieben Basiseinheiten, die Zeit, Länge, Masse, elektrische Stromstärke, Lichtintensität und Stoffmenge bestimmen. Zusammen sind diese Einheiten die Sprache von Wissenschaft, Technologie und Handel.

Wissenschaftler entwickeln diese Standards ständig weiter. 2018 verabschiedeten sie neue Definitionen für Kilogramm (Masse), Ampere (Stromstärke), Kelvin (Temperatur) und Mol (Stoffmenge). Nun, mit Ausnahme des Maulwurfs, sind alle Standards einem untergeordnet: der Zeit.

Der Meter beispielsweise ist definiert als die Entfernung, die Licht in einem Vakuum während einer 299.792.458stel Sekunde zurücklegt. Ebenso beruht die neue Definition des Kilogramms auf einer Sekunde, die zu kompliziert ist, um sie in weniger als mehreren Absätzen zu erklären.

„Alle Einheiten sind jetzt keine autonomen Einheiten, aber sie hängen alle von der Sekunde ab“, sagte Noël C. Dimarcq, ein Physiker und Präsident des beratenden Ausschusses des BIPM für Zeit und Häufigkeit.

Das bedeutet, dass Sie konzeptionell, wenn auch ungeschickt, andere Einheiten wie Gewicht oder Länge in Sekunden ausdrücken könnten.

„Sie gehen in den Lebensmittelladen und sagen: ‚Ich möchte nicht ein Kilogramm Kartoffeln, sondern eine Menge Sekunden Kartoffeln’“, sagte Dr. Dimarcq.

Doch jetzt, zum ersten Mal seit mehr als einem halben Jahrhundert, sind Wissenschaftler dabei, die Definition der Sekunde zu ändern, weil eine neue Generation von Uhren in der Lage ist, sie genauer zu messen.

Im Juni werden Metrologen des BIPM eine endgültige Liste von Kriterien haben, die erfüllt werden müssen, um die neue Definition festzulegen. Dr. Dimarcq sagte, er erwarte, dass die meisten bis 2026 erfüllt würden und dass die formelle Genehmigung bis 2030 erfolgen würde.

Es muss sorgfältig vorgegangen werden. Die Architektur der globalen Messung hängt von der Sekunde ab, wenn sich also die Definition der Einheit ändert, muss ihre Dauer dies nicht tun.

„Es ist wie eine Sache, die alle 50 Jahre einmal vorkommt“, sagte Elizabeth A. Donley, Leiterin der Zeit- und Frequenzabteilung des National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder. kolo. Sie ist zusammen mit Dr. Dimarcq im internationalen beratenden Komitee des BIPM. „Und deshalb ist es eine große Sache, die wir richtig machen wollen, und deshalb gibt es viele Diskussionen. Es ist aufregend, daran zu arbeiten, um eine Pause einzulegen.“

Cäsium der Tag

Wissenschaftler der NIST Boulder Labors arbeiten mit einer frühen Version des Cäsiums Atomuhr im Jahr 1959. Kredit… NIST

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Einst sagten die Menschen die Zeit, indem sie zum Himmel schauten. Aber seit 1967 definieren Metrologen die Zeit stattdessen, indem sie messen, was im Inneren eines Atoms vor sich geht – sozusagen den ewigen Herzschlag des Universums.

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Aber die Zeit hat immer noch ihre Wurzeln und sogar ihre Nomenklatur in der astronomischen Zeitmessung. Ursprünglich basierte es auf der Bahn der Erde in ihrer täglichen Drehung, Tag zu Nacht und wieder zurück. Schließlich teilten altägyptische Astronomen, die das auf 12 basierende duodezimale Zählsystem verwendeten, den Tag und die Nacht in jeweils 12 Stunden ein, was uns 24 Stunden am Tag gab.

Diese Stunden waren unterschiedlich lang, je nachdem, wo sich die Erde in ihrer Umlaufbahn um die Sonne befand. Vor etwas mehr als 2.000 Jahren entwickelten griechische Astronomen, die feste Stunden brauchten, um Dinge wie die Bewegungen des Mondes zu berechnen, die revolutionäre Idee, dass ein einzelner Tag in 24 gleich lange Stunden unterteilt werden sollte.

Dasselbe astronomische Denken führte sie dazu, die alte babylonische Methode des Zählens mit 60, dem Sexagesimalsystem, auf die Stunde zu übertragen. So wie sie einen Kreis oder die Erdkugel in 60 Teile und dann wieder 60 Teile teilten – also 360 Grad – so teilten sie die Stunde.

Die erste Teilung der 24 Stunden des Tages (im Lateinischen als partes minutae primae bekannt) gab ihnen die Länge der Minute, die einem 1440stel eines durchschnittlichen Sonnentages entsprach. Die zweite Teilung (partes minutae secundae) lieferte ihnen die Dauer – und den Namen – der zweiten, die ein 86.400stel eines Tages betrug. Diese Definition galt praktisch bis 1967. (Es gab einen kurzen Abstecher in die sogenannte Ephemeridenzeit, die so kompliziert war, dass sogar Metrologen sie nicht benutzten.)

Aber die Definition hatte Probleme. Die Erde verlangsamt sich allmählich in ihrer täglichen Rotation; Die Tage werden etwas länger und damit auch die astronomische Sekunde. Diese kleinen Unterschiede summieren sich. Basierend auf Hochrechnungen aus historischen Sonnenfinsternissen und anderen Beobachtungen hat die Erde als Uhr in den letzten 2.000 Jahren mehr als drei Stunden verloren.

Daher ist die auf astronomischen Berechnungen basierende Standardzeiteinheit nicht konstant, eine Realität, die für Metrologen in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts zunehmend unerträglich wurde, als sie entdeckten, wie unregelmäßig die Rotation der Erde war. Wissenschaft verlangt Konstanz, Verlässlichkeit und Reproduzierbarkeit. Zeit auch – und in den späten 1960er Jahren vertraute die Gesellschaft zunehmend auf die Frequenzen von Funksignalen, was äußerst präzise Zeitmessungen erforderte.

Metrologen wandten sich der weitaus besser vorhersagbaren Bewegung atomarer Teilchen zu. Atome nutzen sich niemals ab oder verlangsamen sich. Ihre Eigenschaften ändern sich im Laufe der Zeit nicht. Sie sind die perfekten Zeitmesser.

Mitte des 20. Jahrhunderts hatten Wissenschaftler Cäsium-133-Atome dazu gebracht, ihre geheimen inneren Ticks preiszugeben. Cäsium, ein silbrig-goldenes Metall, das bei etwa Raumtemperatur flüssig ist, hat schwere, langsame Atome, was bedeutet, dass sie relativ leicht zu verfolgen sind.

Wissenschaftler brachten Cäsiumatome in ein Vakuum und setzten sie der Energie von Mikrowellen im nicht sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Feldes aus. Die Aufgabe bestand darin, herauszufinden, welche Wellenlänge oder Frequenz möglichst viele Cäsiumatome dazu anregen würde, ein Lichtpaket oder Photon zu emittieren. Die Photonen wurden von einem Detektor aufgenommen und gezählt.

Die Wellenlänge, die den Wettbewerb gewann, wurde als Eigenfrequenzresonanz des Atoms bezeichnet. Stellen Sie es sich als ein Pendel vor, das in einem Rhythmus arbeitet, der für diese Art von Atom einzigartig ist.

Im Fall von Cäsium 133 beträgt die Frequenz fast 9,2 Milliarden Ticks pro Sekunde – 9.192.631.770, um genau zu sein. Die Länge der Sekunde, die im Experiment verwendet wurde, basierte auf der Länge des Tages im Jahr 1957, als die ursprünglichen wissenschaftlichen Experimente stattfanden, und wurde aus Messungen von Erde, Mond und Sternen abgeleitet. Bis 1967 hatten Metrologen des BIPM die Eigenfrequenzresonanz von Cäsium 133 als offizielle Sekundenlänge festgelegt.

Trotz dieser Cäsium-basierten Definition sind astronomische Zeit und Atomzeit immer noch untrennbar miteinander verbunden. Zum einen muss die Atomzeit gelegentlich an die astronomische Zeit angepasst werden, da die Erde ihr Tempo weiterhin unregelmäßig ändert, während die Atomzeit konstant bleibt. Wenn die Atomzeit fast eine Sekunde schneller als die astronomische Zeit wird, halten die Zeitmesser sie für einen Moment an, damit die Erde aufholen kann – sie fügen eine Schaltsekunde in das Jahr ein. Während sich also die Dauer der Sekunde nicht ändert, ändert sich gelegentlich die Dauer einer Minute. Nach einer anfänglichen Einfügung von 10 Schaltsekunden im Jahr 1972 fügen Zeitmesser nun ungefähr alle anderthalb Jahre eine Schaltsekunde zur Atomzeit hinzu.

Darüber hinaus ticken wir, so seltsam es scheinen mag, immer noch die Sekunden der Ära 1957, selbst mit unseren modernen Atomuhren. Denn die Eigenfrequenzresonanz von Cäsium 133 wurde 1957 gemessen und auf die Dauer der astronomischen Sekunde in jenem Jahr fixiert, eine Tatsache, die sich auch bei einer Neudefinition der Sekunde nicht ändern wird.

Not ready for prime time

Eine Yterrbium-Gitter-Atomuhr am NIST in einem zusammengesetzten Bild. Vor den Lasern wurde eine Karteikarte positioniert, um die einzelnen Laserstrahlwege sichtbar zu machen. Kredit… N. Phillips/NIST

Die Neudefinition ist in Arbeit, weil Wissenschaftler neue Instrumente namens optische Atomuhren entwickelt haben. Diese arbeiten nach ähnlichen Prinzipien wie Cäsiumuhren, messen aber Atome, die eine viel schnellere Eigenfrequenzresonanz oder Tick haben. Diese Frequenzen liegen eher im sichtbaren oder optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums als im Mikrowellenbereich, daher der Name.

Es gibt mehrere Arten von optischen Uhren, die jeweils die Ticks eines anderen Atoms oder Ions zählen – Ytterbium, Strontium, Quecksilber, Aluminium und mehr. Bisher hat sich noch keine Art als klarer Favorit für die anstehende Neudefinition herauskristallisiert.

„Optische Uhren sind definitiv nicht bereit für die Hauptsendezeit“, sagte Judah Levine, Physiker bei NISTs Zeit- und Frequenzabteilung. „Das sind Laborprojekte.“

Obwohl sie gebaut wurden, um solch winzige Atome zu untersuchen, sind die meisten massiv, etwa so groß wie ein schwerer Esstisch. Manche füllen ein Labor. Sie sind auch schwierig zu bedienen.

„Es erfordert eine ganze Reihe von Spezialisten, die an den Tisch gekettet sind, wenn Sie verstehen, was ich meine“, sagte Dr. Levine. „Es ist nicht. einfach einen Knopf drücken und weggehen.“

Insgesamt existieren heute etwa 20 oder 30 optische Atomuhren aller Arten, sagte Dr. Donley.

Drei sind in Boulder. Ein typischer wird auf einer Stahlplatte abgesetzt, um ihn von Bodenvibrationen zu isolieren. Es ist von Störungen im Erdmagnetfeld abgeschirmt. Sein Herzstück ist eine Vakuumkammer mit einem Durchmesser von etwa 30 cm, die jedes zu untersuchende Atom oder Ion enthält. Einige Uhren enthalten ein einzelnes Ion. Andere enthalten Tausende derselben Art von Atomen.

Laser sind an den Seiten des Tisches montiert. Sie kühlen die Atome oder Ionen auf nahezu den absoluten Nullpunkt, fangen sie an Ort und Stelle ein und verlangsamen sie. Dann untersuchen die Laser die Atome oder Ionen und strahlen eine nahezu reine Lichtfarbe auf sie, die Wissenschaftler so einstellen, dass sie die genaue Wellenlänge finden, die die gewünschte winzige Energieverschiebung hervorruft.

„So wie ein Kind auf einer Spielplatzschaukel nur dann große Höhe erreicht, wenn die Stöße der Eltern im richtigen Rhythmus ankommen, werden die Atome nur dann spürbar angeregt, wenn die Laserfarbe perfekt abgestimmt ist“, Jeffrey A. Sherman, a Physiker in der Zeitrealisierungs- und Verteilungsgruppe von NIST, erklärt in einer E-Mail.

Der Trick besteht dann darin, die Farbe des Lasers lesen zu können, um die genaue Frequenz der Welle zu bestimmen, die die Energieverschiebung hervorruft. Und hier setzt die Geheimwaffe der optischen Atomuhr an. Eine Schlüsselkomponente der Uhr ist ein zweiter Lasertyp namens Femtosekundenlaser-Frequenzkamm, dessen Entdeckung 2005 zu einem Nobelpreis für Physik führte gepulster Laser, der einer Reihe von Lichtspitzen entspricht, die genau den gleichen Abstand haben, wie die Zähne eines Haarkamms.

Dieser Lichtkamm kann die Wellenlängen der reinen Farblaser lesen, die die Atome oder Ionen anregen. Die Wellen sind schnell und bewegen sich in Rhythmen oder Frequenzen, die etwa das 100.000-fache der Mikrowellenenergie betragen, die Cäsium anregt. Dadurch können optische Atomuhren die Zeit wesentlich genauer messen als Cäsiumuhren.

Neue Höhen erreichen

mit einem Atomkreisel. Kredit… J. Burrus/NIST

Warum brauchen wir eine solche Präzision? Zum Teil, weil Zeit nicht nur Zeit ist; es ist an Schwerkraft und Masse gebunden und wird von diesen beeinflusst. Die Zeit ist auch nicht konstant, ungeachtet dessen, was die Existenz eines internationalen Standards vermuten lässt. Die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein zum Beispiel sagt voraus, dass sich die Zeit langsamer bewegt, wenn sie sich in der Nähe eines massiven Körpers wie eines Planeten befindet, weil sie durch die Anziehungskraft der Schwerkraft verlangsamt wird.

Das heißt, wenn sich das Ticken einer Uhr auch nur geringfügig ändert, können sich auch die physikalischen Bedingungen, in denen sich die Uhr befindet, geändert haben. In der Lage zu sein, diese Änderungen zu lesen, eröffnet die Möglichkeit, dass die Uhren solche Entitäten wie dunkle Materie oder Gravitationswellen erkennen könnten, sagte Dr. Donley.

„Das sind sehr exquisite Tests der Grundlagenphysik, die eines der spannenden Dinge an optischen Uhren ist“, sagte sie.

Ein Experiment hat bereits stattgefunden. Im Jahr 2015 befanden sich Physiker am NIST in den frühen Tagen der Entwicklung ihrer optischen Atomuhren. Sie waren verwirrt über die Tatsache, dass die Sekunden auf den Uhren, die in über Boulder verteilten Labors standen, leicht unterschiedlich maßen.

Dann dachten sie über die allgemeine Relativitätstheorie nach. Könnten diese optischen Uhren auf leichte Änderungen der Schwerkraft reagieren?

Sie baten Derek van Westrum, einen Physiker bei der National Geodetic Survey, die Teil der National Oceanic and Atmospheric Administration ist, um Nachforschungen anzustellen. In den Jahren 2015 und 2018 maß Dr. van Westrum Höhenunterschiede zwischen den Laboren, in denen die Uhren stationiert waren. Wie die Zeit ist die Höhe mit Schwerkraft und Masse verbunden.

Seine traditionellen Nivellierungstechniken, die die Höhe über dem Meeresspiegel messen, fanden heraus, dass sich die Uhren tatsächlich auf unterschiedlichen Höhen befanden. Ihre leicht unterschiedlichen Zeitmessungen erfassten winzige Änderungen im Gravitationsfeld. Eine Uhr, die nur einen Zentimeter höher war als die andere, lief schneller.

„Dass Einsteins verrückte Vorhersage, was Masse und Schwerkraft mit der Zeit machen, tatsächlich eine praktische Anwendung finden würde, ist für mich einfach unglaublich“, sagte Dr. van Westrum lachend.

Wenn mehrere optische Atomuhren in verschiedenen Teilen der Welt aufgestellt werden könnten, könnten Geodäten tickende Unterschiede zwischen ihnen messen und damit Unterschiede in der Höhe und im Gravitationsfeld, sagte er. Beispielsweise könnte ein Netzwerk in der Nähe eines überschwemmten Flusses erklären, wohin das Wasser fließen würde, und Fluchtwege für die Anwohner identifizieren.

Solche Möglichkeiten liegen in der Zukunft. Noch heute versuchen Physiker, optische Uhren dazu zu bringen, über Entfernungen miteinander zu kommunizieren, was für die Zeitmessung unerlässlich ist. Optische Uhren können beispielsweise nicht effizient über Satellitensysteme kommunizieren, da die Satellitenzeitmessung noch nicht optisch ist.

Physiker machen Fortschritte. Ein aktuelles Experiment am NIST, das letztes Jahr in Nature veröffentlicht wurde, verband die drei Uhren in Boulder sowohl über Glasfaser als auch über Luft.

Und Wissenschaftler suchen vor allem zum Himmel nach Hilfe. Jetzt geht es jedoch nicht darum, die Bewegungen von Planeten oder Sternen zu verfolgen, sondern um Informationen von weit über unsere Galaxie hinaus zu nutzen.

Forscher in Italien und Japan versuchten kürzlich, zwei optische Atomuhren mit einem Abstand von etwa 5.500 Meilen zu verbinden, indem sie Interferometrie mit sehr langer Basislinie verwendeten. Das Experiment umfasste mehrere Antennen, die Funksignale aus dem fernen Weltraum lasen und die Informationen dann mit Atomuhren verknüpften.

Es funktionierte, und für einen Moment verschmolzen Zeit und Raum, vermittelt durch die Sterne.

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