Der Fehler beträgt nicht mehr als 1 Sekunde in Hunderten von Millionen Jahren! Wer verleiht Atomuhren ihre „erschreckende“ Genauigkeit?

Was ist das Prinzip einer Atomuhr? Was ist sein konkretes Funktionsprinzip?

Dies ist ein Problem, mit dem die Leute beim Ansehen der Nachrichten häufig konfrontiert werden, und in diesem Jahr gibt es zufällig viele Nachrichten über neue Fortschritte bei verschiedenen Atomuhren in meinem Land. Zum Beispiel:

Derzeit liegt die Stabilität der zweiten Ebene kommerzieller Rubidium-Atomuhren normalerweise auf dem Niveau E-11 bis E-12. Im Januar dieses Jahres erreichte die in meinem Land entwickelte neue Rubidium-Atomuhr Medienberichten zufolge erstmals das Niveau E-14 oder ein Billionstel des Kernindikators für die Frequenzstabilität der zweiten Ebene.

Ebenfalls im Januar dieses Jahres gelang es einem chinesischen Forscherteam Medienberichten zufolge, eine 10.000-Sekunden-Stabilität und Unsicherheit zu entwickeln, die besser ist als

Eine atomare optische Gitteruhr aus Strontium (entspricht einem Fehler von nicht mehr als 1 Sekunde in Milliarden von Jahren).

Chinas experimenteller Quantenwissenschaftssatellit Micius wurde 2016 gestartet, und die Quantensatelliten in mittleren und hohen Umlaufbahnen, die derzeit entwickelt werden und in Zukunft gestartet werden, werden mit genaueren Atomuhren ausgestattet sein. (Urheberrechtlich geschützte Bilder aus der Galerie, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

01 Wie definiert man die Genauigkeit einer Uhr?

Bevor wir über Atomuhren sprechen, sollten wir über folgende Frage nachdenken: Wie definiert man die Genauigkeit einer Uhr?

Die Antwort lautet:

Je feiner die Zeit mit dieser Art von Uhr unterteilt wird, desto genauer ist die ermittelte Zeit.

Zum Beispiel:

Wenn man die Umdrehung der Erde als Uhr betrachtet, beträgt ihre Genauigkeit „Jahr“;

Wenn man die Rotation des Mondes um die Erde als Uhr verwendet, beträgt ihre Genauigkeit entsprechend „Monat“.

Betrachtet man die Rotation der Erde als Uhr, beträgt ihre Genauigkeit „Tag“.

Natürlich werden Sie zugeben, dass:

Die Genauigkeit der „Earth Rotation Clock“ ist wesentlich höher als die der „Earth Revolution Clock“. Denn erstere können die Zeit von Tag zu Tag aufteilen, während letztere die Zeit nur von Jahr zu Jahr aufteilen können.

02 Die Frequenz der Uhr ist der entscheidende Faktor

Die Frequenz der „Erdumdrehungsuhr“ beträgt einmal im Jahr, während die Frequenz der „Erdrotationsuhr“ etwa 365 Mal im Jahr beträgt. Letzteres ist genauer.

Die oben genannten Fakten zeigen uns, dass alles in Ordnung ist, solange wir „etwas“ mit höherer Frequenz und besserer Wiederholbarkeit finden und dieses „Ding“ dann als Uhr verwenden können.

Welche Dinge ändern sich also am häufigsten?

Im Jahr 1880 entdeckten Wissenschaftler, dass Quarz einen piezoelektrischen Effekt hat: Wenn auf ein Stück Quarzmaterial Druck ausgeübt wird, wird ein elektrischer Strom erzeugt.

Was passiert also umgekehrt?

Das Gegenteil ist auch wahr. Wenn Sie ein elektrisches Feld an ein Stück Quarz anlegen, vibriert es. Dies ist der „inverse piezoelektrische Effekt“.

Wie hoch ist also die Schwingungsfrequenz von Quarz unter dem Einfluss eines elektrischen Felds? Die Antwort ist unsicher, da Quarz je nach Form des Schliffs unterschiedliche Frequenzen aufweist.

Eine der klassischsten Schliffformen entspricht jedoch einer Frequenz von 32768 Hz, d. h. sie schwingt 32768 Mal in 1 Sekunde.

Solange wir also sicherstellen, dass die „Schnittform“ dieselbe ist, können wir eine feste Frequenz erhalten.

Also haben wir die Quarzuhr bekommen.

Quarzuhr, Bild aus Wikipedia.

Mit dem Aufkommen von Quarzuhren hat die Fähigkeit des Menschen, die Zeit zu unterteilen, einen großen Schritt nach vorne gemacht. Die Aufteilung einer Sekunde in 32.768 gleiche Teile ist um ein Vielfaches genauer als die „Erdrotationsuhr“.

Um den „Gipfel“ der Präzision weiter zu erklimmen, haben Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf das Innere des Atoms gerichtet!

03 Die Quantenmechanik kommt zur Rettung

Nach der traditionellen Vorstellung erfolgt die Bewegung der Elektronen außerhalb des Atomkerns auf einer „Umlaufbahn“. Anders als in der makroskopischen Welt bewegen sich Elektronen jedoch nicht immer nur auf einer Umlaufbahn. Manchmal „rennen“ sie von einer Umlaufbahn in eine andere. In der Quantenmechanik wird dies als „Übergang“ bezeichnet.

Atome haben unterschiedliche „Energieniveaus“, die durch die unterschiedlichen Umlaufbahnen der Elektronen außerhalb des Atomkerns bestimmt werden. Das heißt, wenn sich das Elektron in einer Umlaufbahn befindet, befindet sich das Atom auf einem bestimmten Energieniveau, und wenn das Elektron in eine andere Umlaufbahn springt, befindet sich das Atom auf einem anderen Energieniveau.

Es besteht ein Energieunterschied zwischen den beiden Energieniveaus eines Atoms. Der Energieunterschied ist hier konstant, daher verwenden wir „△W“, um ihn zu ersetzen.

Wenn die Elektronen außerhalb des Kerns die △W-Energie von außen absorbieren, springen sie in eine andere Umlaufbahn.

Wenn das Elektron umgekehrt von dieser Umlaufbahn in seine ursprüngliche Umlaufbahn zurückkehrt, wird es die ursprünglich absorbierte △W-Energie „ausspucken“.

Bei der △W-Energie handelt es sich hier tatsächlich um elektromagnetische Wellen, und die Energie elektromagnetischer Wellen ist unterschiedlich und auch ihre Frequenzen sind unterschiedlich.

Darüber hinaus ist auch der Energieunterschied zwischen den Energieniveaus verschiedener Atome unterschiedlich. Der Energieunterschied ist eigentlich eine elektromagnetische Welle, sodass wir die spezifischen elektromagnetischen Wellen erkennen können, die von Atomen ausgesendet werden, um verschiedene Atome zu identifizieren.

Und schließlich ist es weniger wahrscheinlich, dass sich ein Elektron, wenn es zwischen zwei unterschiedlichen Energieniveaus wechselt und dabei „einen Teil“ der gleichen Energiedifferenz absorbiert oder abstrahlt, aufgrund von Veränderungen in der Umgebung ändert als durch andere Dinge.

Man kann sagen, dass die Energiedifferenz konstant ist, wenn die Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit und Magnetfeld grundsätzlich gleich bleiben. Ob es 1 Milliarde Jahre oder 100 Milliarden Jahre sind, es wird sich nicht ändern, weil es eine inhärente Eigenschaft des Atoms selbst ist.

Cäsium hat viele Isotope, wie Cäsium-133 und Cäsium-137. Und hier ist der Protagonist, über den wir sprechen werden, Cäsium-133.

Hochreines Cäsium-133 wird in Argongas gespeichert. Bild aus Wikipedia.

Cäsium, das 55. Element, hat 55 Elektronen außerhalb seines Kerns. Daher ist es nicht schwer zu verstehen, dass die Energieniveaus von Cäsiumatomen vielfältig und komplex sind.

Dies spielt jedoch keine Rolle, da die Cäsium-Atomuhr das äußerste Elektron verwendet und sich in der äußersten Schicht nur ein Elektron befindet, das auf einer relativ unabhängigen Umlaufbahn läuft. Seine Energieniveauübergänge sind am einfachsten zu erkennen.

Elektronenschicht eines Cäsiumatoms (urheberrechtlich geschütztes Bild aus der Bibliothek, Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen)

Wie hoch ist also die Frequenz der elektromagnetischen Wellen, die durch den Energieniveauübergang des äußersten Elektrons des Cäsiumatoms absorbiert oder emittiert werden?

Die Antwort ist 9192631770 Hz.

Eine Quarzuhr kann eine Sekunde in 32.768 Teile unterteilen, diese Zeitgenauigkeit reicht jedoch nicht aus, um sie bei der Satellitenortung einzusetzen.

Wenn wir jedoch in der Lage sind, 1 Sekunde in 9.192.631.770 gleiche Teile oder etwa 9,2 Milliarden zu unterteilen, verfügen wir über eine ausreichende Genauigkeit.

04 Das allgemeine Funktionsprinzip von Atomuhren

Vereinfacht sieht es so aus:

Schritt 1: Cäsiumatome vorbereiten

Wir müssen zunächst eine große Gruppe von Cäsiumatomen mit demselben Energieniveau erzeugen. Dies ist relativ einfach und wird normalerweise durch Erhitzen und Verdampfen von Cäsiummetall zu einem Gas erreicht.

Schritt 2: Vakuumröhren-Geschlossengetriebe

Diese große Gruppe von Cäsiumatomen wird durch eine Vakuumröhre geleitet, die abgedichtet ist, um zu verhindern, dass die Atome mit der Außenumgebung interagieren und ihr Energieniveau beeinflussen.

Schritt 3: Mikrowellenstrahlung

In der Röhre bestrahlen Wissenschaftler die Atome mit Mikrowellen (einer Art elektromagnetischer Welle) einer bestimmten Frequenz. Nur wenn die Frequenz der Mikrowellen genau der Übergangsfrequenz der Hyperfeinstruktur der Cäsiumatome entspricht, die bei etwa 9192631770 Hz liegt, absorbieren die Cäsiumatome diese Mikrowellen und wechseln von einem Hyperfeinstruktur-Energieniveau zu einem anderen.

Schritt 4: Erkennungssignal

Wenn Cäsiumatome Mikrowellen absorbieren und den Übergang vollziehen, kehren sie an einem bestimmten Punkt auf ihr ursprüngliches Energieniveau zurück und geben die zuvor absorbierte Energie ebenfalls in Form elektromagnetischer Wellen wieder ab.

Dieses ausgesendete elektromagnetische Wellensignal kann erkannt werden und bestätigt somit, dass die zuvor ausgesendete Mikrowellenfrequenz tatsächlich 9192631770 Hz betrug.

Schritt 5: Präzise Frequenzregelung

Durch kontinuierliches Anpassen der Mikrowellenfrequenz und Erkennen, ob Cäsiumatome Übergänge durchlaufen, kann der Mensch die Mikrowellenfrequenz sehr genau bestimmen und steuern.

Zusammenfassend kann man sagen, dass das Prinzip der Atomuhr eigentlich ein Prozess der „doppelten Bestätigung“ ist, nämlich:

Obwohl wir versuchen, elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz von 9192631770 Hz auszusenden, wie können Sie sicher sein, dass die von Ihnen ausgesendeten elektromagnetischen Wellen diese Frequenz haben? Wir wissen es nicht.

Hierzu ist ein Bestätigungsprozess erforderlich.

Daher konnten wir nur mit dem Debuggen fortfahren. Als wir jedoch irgendwann ein starkes Signal empfingen, das von einer großen Anzahl von Cäsiumatomen nach dem Übergang ausgesendet wurde, bestätigte sich die Tatsache:

Die Frequenz der von uns ausgesendeten elektromagnetischen Wellen beträgt tatsächlich 9192631770 Hz.

Diese Frequenz entspricht 9192631770 Zyklen in 1 Sekunde. Die Zyklen werden durch einen elektronischen Zähler gezählt. Bei jedem Auftreten von 9192631770 Zyklen springt die Sekunde.

Jedes Mal, wenn der elektronische Zähler 4596315885 Mal zählt, bedeutet dies, dass 0,5 Sekunden vergangen sind.

Das Obige ist das Grundprinzip der Cäsium-Atomuhr.

05Mit „Springseil“ erklären

Tatsächlich können wir auch „Springseil“ verwenden, um die Prinzipien von Atomuhren zu verstehen.

Beim Seilspringen halten zwei Personen die beiden Enden eines Seils und schwingen das Seil mit einer bestimmten Frequenz im Kreis. Beträgt die Frequenz einen Kreis pro Sekunde, muss der Seilspringer auch mit dieser Frequenz, also einmal pro Sekunde, springen, sonst scheitert er schnell.

Wenn die Frequenz des Seilschwingens 9192631770 Hz beträgt, muss die Person, die Seil springt, auch 9192631770 Mal in 1 Sekunde springen, damit beide synchron sind.

Wenn es tatsächlich Menschen auf der Welt gibt, die ohne Nahrung und Wasser auskommen und deren Herz unter bestimmten Bedingungen 919.2631.770 Mal pro Sekunde schlägt, dann müssen wir nicht lange nach Cäsiumatomen suchen, die uns helfen können. Wir können diese Menschen einfach nutzen.

Leider gibt es auf der Erde niemanden und auch kein von Menschenhand geschaffenes Objekt, das unter bestimmten Bedingungen in einem so konstanten Zyklus schlagen kann.

Daher entsprechen die Cäsiumatome hier tatsächlich jenen „Seilspringern“, die unter bestimmten Bedingungen mit einer konstanten Periode springen können.

Die elektromagnetischen Wellen, die wir an die Cäsiumatome aussenden, entsprechen tatsächlich den beiden Menschen, die mit dem Seil wedeln. Wenn die beiden Rhythmen synchron sind, können wir daraus schließen, dass die Frequenz, mit der der Mensch das Seil schwingt, innerhalb einer Sekunde 9192631770 Mal beträgt.

Wir können die Seilspringer nicht einfach zählen, aber das macht nichts, wir können einfach einen modernen „elektronischen Zähler“ verwenden, um die Anzahl der Seilschwingungen zu zählen.

Zusammenfassend können wir auch sagen:

Mithilfe eines äußerst fortschrittlichen „elektronischen Zählers“, der auf Frequenzteilungstechnologie und Hochgeschwindigkeits-Zählerchips basiert, können wir in 1 Sekunde mehr als 10 Milliarden Mal zählen. Als Uhr können wir es allerdings nicht verwenden.

Denn obwohl Sie dieses Mal 92 Milliarden Mal gezählt haben, haben Sie die Zählung möglicherweise in 10,1 Sekunden abgeschlossen. Das nächste Mal zählen Sie 92 Milliarden Mal und sind möglicherweise wieder in 9,9999 Sekunden fertig.

Die große Frage ist also: Wie stellen Sie sicher, dass jede nachfolgende Zählung in der gleichen Zeitspanne gleich oft zählt?

Es gibt keine Möglichkeit, sicher zu sein, da Sie keine konstante Referenz haben. Daher können wir die festen Eigenschaften von Cäsiumatomen als Referenz verwenden.

Autor: Hanmu Diaomeng, ein populärwissenschaftlicher Autor und Gewinner des „National Excellent Popular Science Work Award“ des Ministeriums für Wissenschaft und Technologie

Gutachter: Liu Ya, Forscher am National Time Service Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Produziert von: Science Popularization China

Produziert von: China Science and Technology Press Co., Ltd., China Science and Technology Publishing House (Beijing) Digital Media Co., Ltd.