Von Sonnenuhren bis hin zu Atomuhren: Wie bestimmen wir die Zeit?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Chen Jiang (National Time Service Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Ich arbeite im National Time Service Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Der Forschungsgegenstand unseres Zentrums ist „Zeit“.

Wenn es um die Zeit geht, stellen die Menschen oft Fragen, da sie glauben, dass die Zeit eine inhärente Existenz in der objektiven Welt sein sollte. Warum müssen wir die Uhrzeit studieren, wenn es doch so einfach scheint, sie durch einen Blick auf das Telefon oder die Uhr abzulesen? Tatsächlich bezieht sich die Zeit, über die wir sprechen, genauer gesagt auf die Zeitfrequenz. Dies ist ein äußerst wichtiges akademisches Feld, und das National Time Service Center ist die einzige wissenschaftliche Forschungseinrichtung in meinem Land, die sich auf die Grundlagen- und angewandte Forschung zu Zeit und Frequenz spezialisiert hat und sich umfassend damit beschäftigt. Es ist für die Generierung, Aufrechterhaltung und Übertragung der nationalen Standardzeit meines Landes (Peking-Zeit) verantwortlich.

Zeitfrequenz ist ein wichtiges Thema

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Zeitmessinstrumente: von Sonnenuhren bis zu mechanischen Uhren

In den Naturwissenschaften ist Zeit eine grundlegende physikalische Größe, die den Zeitpunkt des Eintretens eines Ereignisses und seine Dauer misst. Es ist auch ein Konzept, das wir in unserem täglichen Leben häufig verwenden. Die Zeit ist normalerweise eng mit der Frequenz verbunden und die beiden werden zusammen als Zeit-Frequenz bezeichnet. Die Zeit umfasst zwei Elemente: Moment und Zeitintervall. Ich plane beispielsweise, eine Vorlesung zu besuchen, die um 8:00 Uhr beginnt und voraussichtlich zwei Stunden dauern wird. Dann stellt 8:00 Uhr die Tageszeit dar und zwei Stunden beziehen sich auf das Zeitintervall.

In der modernen Gesellschaft wird „eine Sekunde“ als die Zeit definiert, die das Cäsium-133-Atom benötigt, um in seinem Grundzustand 9.192.631.770 Mal zwischen zwei Hyperfeinstruktur-Energieniveaus zu oszillieren. Dies ist zugleich die physikalische Größe mit der höchsten Messgenauigkeit, die dem Menschen derzeit zur Verfügung steht. Heutzutage ist es für uns bequemer, Zeitinformationen zu erhalten. Wir können es sofort erhalten, indem wir einfach unser Mobiltelefon zur Hand nehmen. Doch wie haben die Menschen in der Antike die Zeit gemessen? Hier sind drei alte Methoden zur Zeitmessung.

Sonnenuhr: Sie besteht im Wesentlichen aus dem Zifferblatt (auch Zifferblattscheibe genannt) und dem Gnomon (auch Zifferblattnadel oder Sonnenuhrnadel genannt). Tagsüber geht die Sonne im Osten auf und im Westen unter, und der Schatten, den ihr Licht auf die Sonnenuhr wirft, bewegt sich entsprechend.

Wenn die Sonne am höchsten Punkt steht (Mittag), zeigt der Schatten des Gnomons auf einen bestimmten Punkt auf dem Zifferblatt, der normalerweise mit „Mittag“ oder „Mittag“ gekennzeichnet ist. Durch Beobachtung der Position des Schattens der Sonnenuhr auf der Sonnenuhroberfläche und Vergleich mit der Zeitskala auf der Sonnenuhroberfläche kann die aktuelle Uhrzeit ermittelt werden.

Sonnenuhr

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Feueruhr: auch als Feuerwecker bekannt, ist ein Gerät, mit dem die Menschen der Antike die Zeit mithilfe des Brennens von Feuer maßen. Die Feueruhr nutzt die stabile Brenngeschwindigkeit des Feuers zur Zeitanzeige. An einer bestimmten Struktur, beispielsweise einem Räucherstäbchen oder einer Kerze, wird mit einem Baumwollfaden eine Glocke oder ein anderes Gerät, das Geräusche erzeugen kann, befestigt. Wenn das Feuer bis zu einer bestimmten Stelle brennt, verbrennt der Baumwollfaden und die Glocke fällt herunter und erzeugt ein Geräusch, wodurch der Lauf der Zeit markiert wird. Jeder Glockenschlag oder jedes Geräusch stellt das Ende eines Zeitraums dar (z. B. eine Viertelstunde, eine Stunde usw.) und ermöglicht so die Messung der Zeit.

Im Film gibt es eine chinesische Feueruhr

(Bildquelle: Sina Finance)

Flüssigkeitsuhren: Dazu gehören Klepsydra, wasserbetriebene Instrumente und die gewöhnliche Sanduhr, die den stetigen Fluss von Wasser oder Sand unter der Einwirkung der Schwerkraft zur Zeitanzeige nutzen. Flüssigkeitsuhren messen die Zeit, indem sie den Wasserstand in einem Behälter markieren oder die ausfließende Flüssigkeit auffangen. Bei einer Wasserwaage tropft Wasser aus dem ersten Eimer in den zweiten Eimer. Der Zeitablauf lässt sich anhand des Anstiegs des Wasserspiegels im zweiten Eimer abschätzen. Es gibt auch eine Art Wasserleck in den Eimer, um die Zeit zu berechnen, indem das Gewicht des in den Eimer fließenden Wassers gewogen wird. Dadurch werden Qualitätsmessung und Zeitmessung verknüpft. Flüssigkeitsuhren waren bereits in der Antike ein relativ zuverlässiges Instrument zur Zeitmessung und fanden breite Anwendung in verschiedenen Bereichen, beispielsweise in der landwirtschaftlichen Produktion, bei religiösen Zeremonien und im täglichen Leben.

In der Neuzeit hat der Mensch Präzisions-Zeitmessgeräte wie Pendeluhren, mechanische Uhren, Quarzuhren und elektronische Uhren erfunden. Die Messgenauigkeit dieser Instrumente wurde deutlich verbessert und auch ihre Stabilität wurde erheblich erhöht. Während der Nördlichen Song-Dynastie vor über tausend Jahren schufen hochqualifizierte Handwerker eine Wasseruhr mit einer Genauigkeit von nur 10 Minuten pro Tag. Vor etwa 600 Jahren wurde die Genauigkeit der Zeitmessung durch die Erfindung der mechanischen Uhr weiter verbessert. In den 1930er Jahren wurde der Fehler durch die Einführung von Quarzkristalloszillatoren weiter auf ein Niveau von nur einer Sekunde in 300 Jahren reduziert.

Die Geburt der Atomuhr

Die Genauigkeit der menschlichen Zeitmessung verbessert sich ständig. Warum also ist eine so hohe Präzision erforderlich? Wie wichtig ist uns die Genauigkeit der Zeit?

Chinas Sonde Tianwen-1 ist erfolgreich auf dem Mars angekommen, etwa 55 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, und hat dort eingehende Erkundungen und Forschungen durchgeführt. Was hat diese Leistung also mit der Zeit zu tun? Tatsächlich basiert sein Kernprinzip auf einer Grundformel, die wir alle kennen: Entfernung ist gleich dem Produkt aus Geschwindigkeit und Zeit.

Die erste Marserkundungsmission meines Landes, die Sonde „Tianwen-1“, ist erfolgreich gestartet

(Fotoquelle: Reporter Hu Zhe der Nachrichtenagentur Xinhua)

Die Sonde wird zunächst auf die zweite kosmische Geschwindigkeit von 11,2 km/s beschleunigt. Wenn die Sonde bei einer so großen Entfernung von der Erde zum Mars in der Nähe der Transferbahn Erde-Mars einen Höhenfehler von 1 km aufweist, kann sie bei ihrer Ankunft auf dem Mars einen Entfernungsfehler von bis zu 100.000 km aufweisen. Wenn die Zeitgenauigkeit der Sonde also nicht eine Tausendstelsekunde erreichen kann, wird das Ergebnis nicht nur den Mars verfehlen, sondern es wäre auch ein großer Verlust. Es ist offensichtlich, dass die Zeitgenauigkeit ein entscheidender Faktor bei Erkundungsmissionen im Weltraum ist.

Zhurong Mars Rover

(Bildquelle: Öffentliches Konto Aviation Knowledge)

Mit dem Aufkommen der Quantenphysik entstanden Chips, Computer und Mobiltelefone, die unser Leben veränderten. Nur durch die Kontrolle der Zeit im Mikrosekundenbereich oder sogar noch höher können Menschen die Eigenschaften mikroskopischer Teilchen wie Atome und Elektronen detaillierter untersuchen. Wie beim Messen mit einem Lineal ist es unmöglich, die Länge von Objekten in kleinerem Maßstab genau zu messen, wenn die Genauigkeit nicht im Millimeterbereich liegt. Auch ist es nicht möglich, die subtileren physikalischen Eigenschaften in ihrem Inneren eingehend zu erforschen. Daher können wir die Eigenschaften und die Lebensdauer mikroskopischer Partikel wie Atome und Moleküle nur erforschen, wenn wir die Genauigkeit der Zeit bis zu einem gewissen Grad verbessern.

Im Bereich der Landesverteidigung liegt die derzeitige Höchstgeschwindigkeit einiger Interkontinentalraketen bei Mach 26, was 800 Metern pro Sekunde entspricht. Wenn unsere Reaktionszeit um 0,3 Sekunden abweicht (ein Wimpernschlag, der beim Menschen etwa 200 bis 400 Millisekunden dauert), kann die Rakete um 2,6 Kilometer von ihrem beabsichtigten Ziel abweichen. Um solche Raketen erfolgreich abfangen zu können, muss die erforderliche Zeitgenauigkeit eine Zehntausendstelsekunde erreichen. Dieser Kampf zwischen Angriff und Verteidigung unterstreicht die Bedeutung präzisen Timings. Im modernen Informationskrieg gehen Forscher im Allgemeinen davon aus, dass die Bedeutung von Atomuhren sogar die von Atombomben übertrifft.

Wie funktionieren Atomuhren?

Die Dauer von 9.192.631.770 Strahlungszyklen während des Übergangs des Cäsium-133-Atoms in den Hyperfeinstrukturzustand wird als eine Sekunde definiert. Das Gerät, das diese Definition erreicht, wird als Cäsium-Fontänenuhr bezeichnet und gilt auch als Standard für die Zeit menschlicher Aktivitäten. Alle Instrumente zur Zeitmessung müssen auf der Grundlage dieser Atomuhr kalibriert werden.

Was ist also der Unterschied zwischen dieser Uhr und den vorherigen? Wir nennen sie eine kalte Atomuhr, während die meisten früheren Atomuhren heiße Atomuhren waren. In einer kalten Atomuhr verwenden wir Laserkühlung, um verstreute Atome zu einem kompakten Cluster abzukühlen. Indem man dann den Atomhaufen nach oben wirft und fallen lässt, kann man die Leistung der Atomuhr messen.

Die Auf- und Abwärtsbewegung der Atome ähnelt dem Kreislauf eines Springbrunnens, daher wird dieses Gerät auch Springbrunnenuhr genannt. Sie bildet den Standard der modernen Zeitmessung und unterscheidet sich deutlich von anderen Arten von Atomuhren. Das Hauptmerkmal der ersten von unserer Einrichtung entwickelten farbigen Atomfontänenuhr ist ihre enorme Größe, die etwa 30 Quadratmeter saubere Laborfläche erfordert. Das Gerät stellt zwar extrem hohe Anforderungen an die Umgebungs- und Raumbedingungen, seine Leistungsfähigkeit gewährleistet jedoch bereits heute, dass der Fehler über einen Zeitraum von 30 Millionen Jahren nicht mehr als eine Sekunde beträgt.

Die Genauigkeit optischer Uhren mit kalten Atomen übertrifft die von Fontänenuhren um zwei Größenordnungen und dürfte in Zukunft zum neuen Standard für unsere Zeitreferenz werden. Sein Prinzip basiert auf optischen Frequenzen. Im Gegensatz zu früheren Mikrowellenfrequenzstandards wird hier ein Laser mit ultraschmaler Linienbreite verwendet, um den Mikrowellenresonator zu ersetzen und Atome mit diesem Laser anzuregen.

Der Funktionsmechanismus der Atomuhr ist relativ einfach. Der Kern besteht darin, Atome als Referenzmaterialien zu verwenden, um ein Gerät ähnlich einem elektronischen Oszillator zu bauen, das Mikrowellenfrequenzen in einem bestimmten Frequenzband erzeugen kann, um Atome anzuregen. Wenn die Frequenz der vom Oszillator erzeugten elektromagnetischen Wellen mit der inhärenten Schwingungsfrequenz des Atoms übereinstimmt, erfährt das Atom einen „Energieniveauübergang“. Dieses Phänomen zeigt, dass die vom Oszillator ausgesandte Frequenz mit der Resonanzfrequenz des Atoms übereinstimmt, und wir können diese Frequenz als Resonanzfrequenz des Atoms verwenden, was das grundlegende Funktionsprinzip der Atomuhr darstellt.

Das Arbeitsmaterial einer Atomuhr gehört keinem bestimmten Typ oder keiner bestimmten Kategorie an. Am häufigsten werden Wasserstoffatome, Aluminiumatome, Cäsiumatome und Strontiumatome verwendet, die alle zur Herstellung verschiedener Atomuhren verwendet werden können.

Die beiden wichtigsten Indikatoren zur Bewertung der Leistung von Atomuhren sind Frequenzstabilität und Frequenzgenauigkeit. Stabilität bezieht sich auf das Ausmaß, in dem die Frequenz des Ausgangssignals einer Atomuhr schwankt, während Genauigkeit beschreibt, wie genau die Frequenz des Ausgangssignals mit einem festgelegten Standardwert übereinstimmt. Um eine Analogie zum Bogenschießen zu verwenden: Atomuhren sind sowohl stabil als auch präzise, ​​ähnlich wie das Treffen der Zielscheibe beim Pfeilschießen, was Genauigkeit darstellt; und alle Bogenschießergebnisse konzentrieren sich in der Nähe der Zielscheibe, was deren Stabilität widerspiegelt.

Es gibt viele Arten von Atomuhren, darunter Wasserstoff-Atomuhren, die Wasserstoffatome als Arbeitsmedium verwenden. Wasserstoffatome haben eine stabile Energieniveauübergangsfrequenz und sind daher ideal für hochpräzise Zeitmessungen. Darüber hinaus sind auch Cäsium-Atomuhren, Rubidium-Atomuhren und Aluminium-Atomuhren gängige Typen. Diese Atomuhren sind nicht nur klein, sondern auch hochentwickelt.

Anwendungen von Atomuhren

In der Astronomie können Atomuhren die Position und Bewegung von Himmelskörpern genau messen. Durch die hochpräzise Zeitstempelung von Signalen weit entfernter Himmelskörper können Wissenschaftler die Entfernungen zwischen Himmelskörpern, ihre relativen Bewegungsgeschwindigkeiten usw. genauer berechnen und so präzisere Daten für die astrophysikalische Forschung bereitstellen.

Auch im Satellitennavigationssystem ist die Atomuhr eine der Kernkomponenten, deren Genauigkeit die Positions- und Zeitgenauigkeit des Navigationssystems bestimmt. Hochpräzise Atomuhren können die Positionierung von Satellitennavigationssystemen genauer machen und zuverlässigere Navigationsdienste für Reisen, Luftfahrt und Navigation bereitstellen. Bei der zukünftigen menschlichen Erforschung des Weltraums werden mit der fortschreitenden Ausweitung des Forschungsumfangs immer höhere Anforderungen an die Navigationsgenauigkeit gestellt. Atomuhren können die Zeit über große Entfernungen hinweg genau anzeigen und gewährleisten so eine präzise Navigation von Raumfahrzeugen.

Im Bereich der geowissenschaftlichen Forschung sind Atomuhren von entscheidender Bedeutung, da sie durch die genaue Messung der Zeit die Rotation der Erde, die Polverschiebung und andere Bewegungen überwachen. Durch langfristige Messungen und Vergleiche können wir Phänomene wie Änderungen der Erdrotationsgeschwindigkeit und der Bewegung der Erdpole untersuchen, grundlegende Daten für Bereiche wie Geophysik und Geologie bereitstellen und Wissenschaftlern helfen, die innere Struktur der Erde und geodynamische Prozesse zu verstehen. Atomuhren können auch dabei helfen, die Form, Größe und das Schwerefeld der Erde zu messen und bieten so wichtige technische Unterstützung für die Forschung in den Geowissenschaften und Erdwissenschaften.

Abschluss

Mit der Entwicklung der 5G-Technologie und der Technologie für unbemanntes Fahren hat mein Land auch mit der Entwicklung kleiner Atomuhren in Chip-Bauweise begonnen. Diese Atomuhr hat nur die Größe einer Münze oder eines Fingers und ist sehr leicht. Wir gehen davon aus, dass es in Zukunft bei mehr Gelegenheiten und in mehr Bereichen Anwendung finden wird.

Herausgeber: Pi Guangyu