Dank neuer physikalischer Durchbrüche kommen Kernuhren der Realität näher

Kernuhren sind genauer als Atomuhren.

Die Kernuhr gilt als weitaus leistungsfähiger als die Atomuhr, die die Dauer einer Sekunde durch Energiesprünge in den Elektronen der Atome bestimmt und derzeit den Höhepunkt der Zeitmessung darstellt.

Forscher haben jedoch vor kurzem eine Technik entwickelt, mit der diese Präzision verbessert werden kann, indem Schwingungen in einem noch schwierigeren Ziel ausgelöst und gemessen werden: dem Atomkern (der Kern eines Atoms).

So funktioniert eine Kernuhr: Wissenschaftler messen die Frequenz von Energieimpulsen, die auf den Atomkern einwirken, indem sie die Wellenlängen des UV-Signals zählen. Die Wellenlängen können dazu führen, dass die Kernübergänge mit höheren Frequenzen schwingen, was eine präzisere Zeitmessung ermöglicht. Bild: National Institute of Standards and Technology

Für die Kernuhr nutzten die Wissenschaftler ultraviolettes Licht, um die Kerne eines Thorium-229-Atoms in einem festen Kristall anzuregen. Anschließend maßen sie die Frequenz der auf den Kern treffenden Energieimpulse – das Äquivalent eines Pendels in einer herkömmlichen Uhr – und zählten die Wellenlängen des UV-Lichts mithilfe eines optischen Frequenzkamms.

Die Erzeugung von Energiesprüngen in Atomkernen erfordert ein Signal mit deutlich höherer Frequenz als das für Atomuhren verwendete. Mit mehr Wellenzyklen pro Sekunde dürfte die Methode präzisere Zeitmessungen ermöglichen.

Obwohl die Entwicklung der Atomuhr noch in der Entwicklung ist, ist ihnen klar, dass sie nicht nur die Zeitmessung, sondern auch die physikalische Forschung grundlegend verändern und sogar die Art und Weise beeinflussen könnte, wie Wissenschaftler die Struktur des Universums untersuchen.

Der Prototyp ist bereits so genau wie eine Atomuhr, und zukünftige Versionen werden voraussichtlich noch genauer und stabiler sein, heißt es in einer am 4. September in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Studie.

„Es gibt einige Faktoren, die wir nutzen können, um die Genauigkeit zu verbessern“, sagte der Hauptautor Chuankun Zhang, ein Doktorand am JILA, einem von der University of Colorado Boulder und dem National Institute of Standards and Technology finanzierten Forschungszentrum.

Physische Revolution?

Bekanntlich ist die Genauigkeit von Atomuhren wesentlich höher als die von herkömmlichen Uhren. Atomuhren werden seit Jahrzehnten in der GPS-Technologie zur Weltraumforschung und zur internationalen Zeitmessung eingesetzt.

Darüber hinaus haben die Präzision und Stabilität der Atomuhren den Wissenschaftlern wichtige Werkzeuge für die Untersuchung von Erdbeben, Gravitationsfeldern und der Raumzeit an die Hand gegeben.

Um die Kernuhr zum Laufen zu bringen, nutzten Wissenschaftler ultraviolettes Licht, um die Kerne in Thorium-229-Atomen anzuregen. Foto: JILA

Allerdings sind auch Atomuhren anfällig für Desynchronisation. Elektromagnetische Störungen können angeregte Elektronen stören und die Genauigkeit der Zeitmessung beeinträchtigen, sagt Zhang.

Diese Bereiche werden wahrscheinlich „angeregt“, sagte Dr. Olga Kocharovskaya, emeritierte Professorin für Physik an der Texas A&M University, die nicht an der Forschung beteiligt war.

Kernuhren seien nicht nur genauer, sondern auch einfacher und tragbarer, fügte sie hinzu, da sie im Gegensatz zu Atomuhren keine Hochvakuumbedingungen, keine extreme Kühlung oder Abschirmung vor magnetischen und elektrischen Störungen erforderten.

Obwohl den Wissenschaftlern zufolge noch viele Dinge zu tun sind, bevor Kernuhren die Leistung von Atomuhren übertreffen oder sie ersetzen, zeigen diese Erkenntnisse, dass dieser Zeitpunkt nicht mehr fern ist.

Ha Trang (laut CNN)

Quelle: https://www.congluan.vn/dong-ho-hat-nhan-den-gan-thuc-te-nho-nhung-dot-pha-vat-ly-moi-post312059.html