Die "Obergrenze" der menschlichen Zeitmessung: Der Fehler dieser Uhr kann in 300 Milliarden Jahren nur 1 Sekunde erreichen

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Luan Chunyang (PhD, Institut für Physik, Tsinghua-Universität)

Hersteller: China Science Expo

Mendelejew, der das Periodengesetz der Elemente entdeckte und zusammenfasste, sagte einmal: „Die Wissenschaft beginnt mit der Messung.“ Dieser Satz bedeutet, dass es ohne präzise Messungen keine modernen Naturwissenschaften gäbe und die Verbesserung der Messgenauigkeit oft zur Entdeckung neuer wissenschaftlicher Gesetze führt.

Mendelejew, der Wissenschaftler, der das Periodengesetz der Elemente entdeckte und zusammenfasste

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Im vorherigen Artikel haben wir hauptsächlich die Prinzipien und Vorteile der Quantenpräzisionsmessung vorgestellt. Im Gegensatz zu den uns bekannten klassischen Präzisionsmessungen verwenden Quantenpräzisionsmessverfahren natürliche mikroskopische Teilchen als physikalische Messgrößen , wodurch die Messergebnisse theoretisch eine extrem hohe Parameterstabilität aufweisen. Darüber hinaus nutzt das Quantenpräzisionsmessverfahren auch die Quanteneffekte der mikroskopischen Partikel selbst voll aus, sodass diese als „Quantenlineal“ fungieren und präzise auf Änderungen der zu messenden physikalischen Größe reagieren können. Dadurch werden die Genauigkeitsgrenzen der klassischen Präzisionsmessung durchbrochen.

Im heutigen Artikel erfahren wir etwas über ein „Quantenlineal“, das die Zeit präzise messen kann.

Den Spuren der genauen Zeit folgen

Bevor ich Ihnen offiziell die Geschichte des ersten „Quantenlineals“ erzähle, möchte ich Ihnen eine Frage stellen, die Ihnen sowohl bekannt als auch unbekannt ist: Wie können wir die Zeit genau messen?

Vielleicht antwortest du, Tisch.

Tatsächlich gibt es auf diese Frage jedoch keine einheitliche Standardantwort. Dies liegt daran, dass theoretisch jedes periodische Naturphänomen als Standard für die Zeitmessung verwendet werden kann und die Uhr nur eine der Möglichkeiten ist, dieses Prinzip zur Zeitmessung in unserem täglichen Leben zu nutzen.

In den frühen Stadien der Zivilisation unterteilten die Menschen die Zeit grob anhand der periodischen Phänomene der Himmelsbewegung und verwendeten sie als Standard für die Zeitmessung. Beispielsweise können wir die Umdrehungs- und Rotationsperioden der Erde verwenden, um „Jahr“ und „Tag“ grob zu definieren. In ähnlicher Weise können wir auch die Projektion des Sonnenlichts auf den Boden zu verschiedenen Zeiten nutzen, um eine Sonnenuhr zu erstellen, mit der wir verschiedene Zeiten grob aufzeichnen können.

Definition der Begriffe „Tag“ und „Jahr“ basierend auf der Rotation und Umdrehung der Erde

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Wir verwenden diese primitive Methode nicht mehr für präzise Messungen, da die Perioden der Himmelsbewegung nicht einheitlich sind und diese Messmethode leicht durch natürliche Faktoren wie das Wetter beeinflusst wird. Dies führte zu großen Abweichungen bei den Messergebnissen zu einem frühen Zeitpunkt.

Mit dem Eintritt in die Phase der industriellen Zivilisation entdeckten die Menschen, dass die mechanische Schwingungsdauer einiger Industrieprodukte sehr kurz ist und gleichzeitig eine hohe Stabilität aufweist. Daher begannen Wissenschaftler, die feste Periode mechanischer Schwingungen als Grundlage für eine präzise Zeitmessung zu verwenden und so die Genauigkeit der Zeitmessung zu verbessern.

Beispielsweise können wir einen Quarzoszillator mit einer extrem kurzen mechanischen Schwingungsperiode verwenden, um eine Quarzuhr mit äußerst präziser Zeitmessung herzustellen. Das Prinzip der Zeitmessung einer Quarzuhr besteht darin, dass der Quarzoszillator bei Stromversorgung kontinuierlich einen stabilen mechanischen Schwingungszyklus ausgibt, der dann zur präzisen Zeitmessung verwendet werden kann.

Quarzuhr auf Quarzoszillatorbasis für präzise Zeitmessung

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Die genaueste Quarzuhr der Welt kann heute die Zeit mit einer Genauigkeit von einer Hunderttausendstelsekunde messen, was bedeutet, dass sie alle etwa 270 Jahre einen Messfehler von 1 Sekunde aufweist. Solche Fehler sind auf unvermeidliche Prozessfehler und Leistungsalterung zurückzuführen.

Für unser tägliches Leben ist ein solcher Fehler sehr gering und kann unsere Anforderungen an die Zeitmessung voll erfüllen. In Bereichen wie der wissenschaftlichen Forschung, in denen eine höhere Präzision erforderlich ist, ist ein solcher Fehler jedoch kaum zufriedenstellend.

Daher begannen Wissenschaftler, ihre Aufmerksamkeit auf die wunderbaren Quanteneigenschaften der mikroskopischen Welt zu richten, in der Hoffnung, eine präzisere und stabilere Schwingungsperiode zu finden und dadurch die Genauigkeit der Zeitmessung weiter zu verbessern.

Finden Sie die Antwort in Atomen

Glücklicherweise haben Wissenschaftler extrem stabile Schwingungsperioden in sehr kleinen Einzelatomen entdeckt, die als „atomare Energieniveauübergänge“ bezeichnet werden. **Mit anderen Worten: Wir haben uns vom künstlichen Zeitmessstandard verabschiedet und begonnen, einzelne Atome als natürliche Uhren zu verwenden. Damit sind wir tatsächlich in das Zeitalter der Quantenpräzisionsmessung eingetreten.

Was also ist die Atomenergiewende?

In der Beschreibung der klassischen Physik besteht jedes Atom aus einem Kern und extranuklearen Elektronen. Die extranuklearen Elektronen sind wie Planeten, die im Sonnensystem kreisen und sich immer kreisförmig um den zentralen Kern bewegen. Dies ist das Planetenmodell von Rutherford, das wir aus dem Unterricht in der Mittelstufe kennen. Sie werden es vielleicht nicht glauben, aber dieses auf der klassischen Physik basierende Planetenmodell ist tatsächlich falsch. Dies liegt daran, dass das Planetenmodell von Rutherford selbst einen tiefgreifenden physikalischen Widerspruch enthält.

Schematische Darstellung von Rutherfords Planetenmodell. Die Elektronen außerhalb des Kerns kreisen um den Kern im Zentrum, und der Kern besteht aus noch kleineren Protonen und Neutronen.

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Da der Atomkern eine positive Ladung trägt und die Elektronen außerhalb des Kerns eine negative Ladung tragen, strahlen die rotierenden Elektronen elektromagnetische Wellen in den umgebenden Raum ab, wenn sich die Elektronen außerhalb des Kerns um den zentralen Atomkern bewegen. Während die Elektronen außerhalb des Kerns weiterhin elektromagnetische Wellen nach außen aussenden, nimmt die Gesamtenergie des Atomsystems selbst allmählich ab. Dadurch wird der Radius der Elektronen außerhalb des Kerns, die sich um den Kern bewegen, immer kleiner und sie nähern sich dem zentralen Kern weiterhin entlang einer spiralförmigen Bewegungsbahn. Bis schließlich die Elektronen außerhalb des Atomkerns mit dem positiv geladenen Atomkern kollidieren, was zur Ladungsvernichtung und letztlich zum Kollaps der Atomstruktur führt. In diesem Fall sollte die Existenz einzelner Atome unmöglich sein.

Um die Probleme des Atommodells in der klassischen Physik zu lösen, schlug der Physiker Niels Bohr ein Atommodell vor, das der Quantisierungsannahme der Quantenmechanik folgt. Im neuen Atommodell bewegen sich Elektronen außerhalb des Atomkerns nicht mehr auf Bahnen im klassischen Sinne, sondern können sich außerhalb des Atomkerns nur noch gezielt in diskreten Energiezuständen verteilen. Dieser diskrete Energiezustand wird als „Energieniveaustruktur“ bezeichnet.

Das heißt, die Elektronen außerhalb des Atomkerns bewegen sich nicht mehr kreisförmig um den Atomkern, sondern verteilen sich mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit auf verschiedene Bahnen. Insbesondere wenn Atome durch externe Laser oder Mikrowellenfelder angetrieben werden, können die Elektronen außerhalb des Kerns zwischen bestimmten diskreten Energieniveaus wechseln, und die Dauer dieses Übergangs ist extrem kurz und dauert im Allgemeinen nur 0,01 Nanosekunden (1 Nanosekunde = 10∧-9 Sekunden). Daher wird diese auf der Grundlage des quantisierten Atommodells ermittelte Elektronenübergangscharakteristik auch als „ atomarer Energieniveauübergang “ bezeichnet.

Da der Übergang zwischen den atomaren Energieniveaus nur durch externe Anwendung von Laserfeldern, Mikrowellenfeldern usw. erreicht werden kann, kommt es nicht zu einem sogenannten Kollaps der Atomstruktur. Daher löst das quantisierte Atommodell die Widersprüche in Rutherfords Planetenmodell perfekt.

Elektronen außerhalb des Atomkerns können zwischen verschiedenen Atomen springen (wenn beispielsweise ein Elektron außerhalb des Atomkerns vom Energiezustand n=3 in den Energiezustand n=2 springt, muss es keinen Weg zwischen den beiden Energiezuständen zurücklegen, sondern es dauert nur 0,01 Nanosekunden, bis es direkt im Energiezustand n=2 erscheint).

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Da die Forschung zur Atomstruktur immer weiter voranschreitet, konnten Wissenschaftler die Energieniveaustruktur verschiedener Atome experimentell genau messen. Beispielsweise beträgt die Energiedifferenz zwischen zwei Hyperfeinstrukturniveaus in einem Cäsium-133-Atom 9,192631770 GHz. Dies bedeutet, dass die Elektronen außerhalb des Kerns eines Cäsium-133-Atoms beim Übergang zwischen diesen beiden Energieniveaus mehr als 9 Milliarden schnelle Schwingungen in nur einer Sekunde ausführen können und somit eine Schwingungsperiode haben, die weitaus kürzer ist als die des oben erwähnten Quarzoszillators (etwa 100.000 Mal pro Sekunde).

Da die Energieniveaustruktur eines Atoms durch die physikalischen Eigenschaften des Atoms selbst bestimmt wird, weist es eine extrem hohe natürliche Stabilität auf. Gleichzeitig ist die Energieniveaustruktur von Atomen desselben Typs natürlich konsistent. Dies bedeutet, dass diese Lösung, die die Quanteneigenschaften atomarer Energieniveauübergänge zur präzisen Zeitmessung nutzt, während des Gebrauchs nicht so leicht durch die äußere Umgebung gestört wird und auch keine Prozessfehler aufgrund von Unterschieden in den Fertigungschargen auftreten.

Aus diesem Grund nutzen Wissenschaftler die wunderbare Eigenschaft atomarer Energieniveauübergänge als „Quantenlineal“, um aus einem einzelnen Atom eine äußerst präzise Uhr zu bauen. Es gibt auch einen anschaulicheren Namen: Atomuhr .

Die genaueste Uhr der Welt

Gerade aufgrund ihrer extrem hohen natürlichen Stabilität und Zeitmessgenauigkeit hat diese Atomuhr, die auf den Eigenschaften atomarer Energieniveauübergänge basiert, seit ihrer Einführung große Aufmerksamkeit in Wissenschaft und Industrie erregt.

Am Beispiel des Cäsium-133-Atoms ist es Wissenschaftlern gelungen, eine Cäsium-Atomuhr mit extrem hoher Genauigkeit zu entwickeln. Die Forschungsergebnisse zeigen, dass die Zeitmessgenauigkeit der Cäsium-Atomuhr 0,000000000001 Sekunde erreichen kann (nicht zählen, es gibt 10 Nullen nach dem Komma), was bedeutet, dass die Cäsium-Atomuhr einen Zeitfehler von nur etwa 1 Sekunde pro 100 Millionen Betriebsjahre aufweist und damit die Obergrenze der Genauigkeit des klassischen Zeitmessschemas überschreitet.

Schematische Darstellung der Struktur des Cäsium-133-Atoms

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Tatsächlich wurde bereits 1967 auf der 13. Internationalen Konferenz für Maß und Gewicht die Cäsium-Atomuhr als neuer Zeitstandard verwendet und das Konzept einer Sekunde neu definiert. Das heißt, die Dauer von 9192631770 periodischen Schwingungen zwischen den beiden Hyperfeinstruktur-Energieniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms.

Um die Genauigkeit der Zeitmessung weiter zu verbessern, haben Wissenschaftler erfolgreich eine neue Art von Atomuhr entwickelt, die auf Strontiumatomen, Ytterbiumatomen usw. basiert. Unter ihnen können die extranuklearen Elektronen im Strontium-87-Atom in nur einer Sekunde fast 100 Billionen schnelle Schwingungen ausführen. Mit anderen Worten, die Zeitmessgenauigkeit der „Strontium-Atomuhr“ kann 0,00000000000000001 Sekunden erreichen (nicht zählen, es gibt 15 Nullen nach dem Komma).

Überprüfung der Allgemeinen Relativitätstheorie im Millimeterbereich mithilfe von Strontium-Atomuhren

(Bildquelle: Referenz [1])

Im Jahr 2022 produzierte Ye Juns Team vom JILA-Labor der University of Colorado, USA, die weltweit genaueste „Strontium-Atomuhr“, die die Zeit mit einer Genauigkeit von nur 1 Sekunde in 300 Milliarden Jahren messen kann. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht. Dies bedeutet, dass über einen Zeitraum, der dem gesamten Alter des Universums (etwa 13,8 Milliarden Jahre) entspricht, die genauesten Atomuhren um weniger als 0,05 Sekunden abweichen würden.

Abschluss

Es ist nicht schwer festzustellen, dass die quantenpräzise Zeitmessung kein so großes Mysterium ist. Es basiert auf der wunderbaren Eigenschaft des Übergangs atomarer Energieniveaus in der Quantenmechanik, die uns bekannten Atome in ein neues „Quantenlineal“ umzuwandeln und es so zu einem neuen Maßstab für die Zeitmessung zu machen.

Zusätzlich zu Atomuhren haben Wissenschaftler mittlerweile quantenpräzise Messmethoden eingesetzt, um hochempfindliche Messungen wichtiger physikalischer Größen wie Gravitationsfelder und Magnetfelder zu erreichen, die in unserer heutigen Produktion und unserem Leben breite Anwendung finden. Auf welcher Art von Quanteneigenschaft basiert also das zweite „Quantenlineal“? Welche anderen magischen Kräfte hat es?

Verweise

[1] Bothwell T, Kennedy CJ, Aeppli A, et al. Auflösung der Gravitationsrotverschiebung über eine Atomprobe im Millimeterbereich[J]. Nature, 2022, 602(7897): 420-424.