Die genaueste Atomuhr der Welt geht alle 30 Milliarden Jahre um eine Sekunde falsch

Wissenschaftler haben die bislang präziseste und genaueste Atomuhr entwickelt – würde man sie doppelt so lange laufen lassen wie das heutige Alter des Universums, würde sie nur um eine Sekunde abweichen. Dies könnte nicht nur Dienste wie GPS verbessern, sondern Wissenschaftlern auch dabei helfen zu erforschen, wie die Schwerkraft den Zeitfluss über Submillimeterdistanzen verzerrt.

Ihre Mickey-Mouse-Uhr zeigt die Zeit im Alltag genau an – bei Besprechungen oder Mittagessen spielt es keine Rolle, ob eine Sekunde hier oder dort anders ist. Bei komplexen Ereignissen wie Weltraumstarts können jedoch Bruchteile von Sekunden den Unterschied zwischen knallenden Champagnerkorken im Kontrollraum und den teuersten Explosionen ausmachen, die Menschen verursachen können.

Atomuhren sind die unglaublich präzisen Instrumente, die diese beeindruckenden Leistungen ermöglichen. Sie funktionieren, indem sie die äußerst vorhersehbaren Schwingungen bestimmter Atome zählen – Cäsium-133 beispielsweise „tickt“ genau 9.192.631.770 Mal pro Sekunde, und das wird seit den 1960er Jahren verwendet, um die Länge einer Sekunde offiziell zu definieren. Sie sind auf eine Sekunde in 300 Millionen Jahren genau.

Nun haben Wissenschaftler am JILA eine Atomuhr entwickelt, die weitaus präziser ist. Sie basiert auf einigen Entwicklungen, die das Team im Laufe der Jahre gemacht hat. Erstens verwendet sie keine Cäsiumatome, sondern Strontiumatome, die unglaubliche 429 Billionen Mal pro Sekunde ticken. Anstatt diese Ticken mit Mikrowellen zu messen, verwendet diese Art von Atomuhr sichtbare Lichtwellen, die eine viel höhere Frequenz haben.

Zehntausende dieser Strontiumatome sind in einer Art Lasernetz oder „optischem Gitter“ gefangen, das sie an ihrem Platz hält, während sie ihren vorhersehbaren Tanz aufführen. Die Tatsache, dass so viele an einem Ort sind, trägt zur Präzision bei, denn innerhalb von Milliarden von Jahren sinkt die Genauigkeit der Atome nur um eine Sekunde.

K. Palubicki/NIST

Die neue Atomuhr des JILA-Teams steigert die Genauigkeit auf Rekordniveau, indem sie eine flachere und sanftere Lichtfalle verwendet. Dies verhindert zwei Fehlerquellen, die bei optischen Gitteratomuhren häufig auftreten – Einflüsse durch das Laserlicht und das Zusammenstoßen der Atome.

Dieses neue Design hat offenbar eine Genauigkeit von 8,1 Teilen pro 10 Trillionen (eine 10 gefolgt von 19 Nullen). Mit anderen Worten: Die Uhr würde nur um eine Sekunde abweichen, wenn sie 30 Milliarden Jahre lang laufen würde – das ist mehr als das Doppelte des gegenwärtigen Alters des Universums. Wir wollen damit sagen, dass sie verdammt genau ist.

Diese unglaubliche Präzision könnte dazu genutzt werden, die Zeit besser als je zuvor zu messen und Technologien wie GPS und Kommunikation zu verbessern. Sie könnte aber auch dazu beitragen, die Physik selbst zu erforschen – schließlich kann die Schwerkraft die Geschwindigkeit verändern, mit der die Zeit vergeht, und dieses Instrument könnte diesen Unterschied über Entfernungen von etwa der Dicke eines einzelnen Haares messen.

„Diese Uhr ist so präzise, ​​dass sie winzige Effekte erkennen kann, die von Theorien wie der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt werden, sogar auf mikroskopischer Ebene“, sagte Jun Ye, einer der Autoren der Studie. „Sie erweitert die Grenzen dessen, was mit der Zeitmessung möglich ist.“

Die Forschungsergebnisse wurden zur Veröffentlichung in der Zeitschrift angenommen Briefe zur körperlichen Überprüfungund ist derzeit als Vorabdruck auf ArXiv verfügbar.

Quelle: NIST