Die „Obergrenze“ der menschlichen Zeitmessung beträgt nur 1 Sekunde Fehler in Milliarden von Jahren! Entdeckung der genauesten Uhr im Weltraum

Im vergangenen Oktober wurde mit dem erfolgreichen Start des Mengtian-Labormoduls und dem reibungslosen Ablauf von Rendezvous, Andocken und Transfer die „T“-Grundkonfiguration der chinesischen Raumstation im Orbit zusammengebaut. Anschließend wurden die acht wissenschaftlichen Experimentierschränke im Labormodul „Mengtian“ nacheinander eingeschaltet und mit den Tests im Orbit begonnen.

Das Labormodul „Mengtian“ ist ein Experimentalmodul in der chinesischen Raumstation, das für physikalische Präzisionsexperimente zuständig ist. Wir wissen, dass die Anforderungen an die Zeitgenauigkeit umso höher sind, je komplexer das physikalische Experiment ist. Zu diesem Zweck ist die Experimentierkabine „Mengtian“ mit dem weltweit ersten Satz weltraumtauglicher Atomuhren ausgestattet, die zugleich das genaueste Zeit- und Frequenzsystem im Weltraum darstellen, mit einer Genauigkeit von etwa 1 Sekunde in 5 Milliarden Jahren!

Was genau ist eine Atomuhr? Warum kann es eine so genaue Zeit anzeigen? Als nächstes lernen wir die Prinzipien und Anwendungen von Atomuhren kennen!

Die große Rolle der Atomuhren

Mit dem Fortschritt der Wissenschaft stellte man fest, dass die Genauigkeit von Quarzuhren (die genauesten Zeitmesser vor der Erfindung der Atomuhren) den Anforderungen der wissenschaftlichen Forschung nicht genügte. Die Säulen der modernen Physik sind die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik, die auf makroskopischer Ebene nahezu identisch mit den Schlussfolgerungen der Newtonschen Mechanik sind. Mit anderen Worten: Wir können den Unterschied zwischen der Newtonschen Mechanik, der Relativitätstheorie und der Quantenmechanik in der makroskopischen Welt nicht wahrnehmen. Der Unterschied zwischen der Relativitätstheorie und der Newtonschen Mechanik zeigt sich allerdings bei 15 Nachkommastellen, die mit einer Quarzuhr nicht messbar sind. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie verzerrt die Schwerkraft Raum und Zeit und verursacht außerdem eine Zeitdilatation. Dieser Theorie zufolge ist die Zeit auf dem Gipfel des Mount Everest im Durchschnitt über 80.000 Jahre hinweg um 1 Sekunde schneller als die Zeit auf Meereshöhe. Dies übertrifft die Messgenauigkeit von Quarzuhren bei weitem.

Wir alle wissen, dass China das Satellitennavigationssystem Beidou eigenständig entwickelt hat, das Nutzern weltweit bei jedem Wetter und rund um die Uhr hochpräzise Ortungs-, Navigations- und Zeitdienste bietet. Die Positionsbestimmung per Satellitennavigation erfolgt durch die Übertragung von Signalen mittels elektromagnetischer Wellen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum beträgt etwa 3×108 Meter pro Sekunde. Diese Geschwindigkeit multipliziert mit der Zeit, die das Signal zur Ausbreitung benötigt, ergibt die Entfernung, die das Signal zurücklegt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit führt ein Fehler von 1 Sekunde in der Uhr zu einer Abweichung von 300.000 Kilometern bei der Bodenpositionierung! Damit das globale Satellitenpositionierungssystem ausreichend genaue Navigationsdienste bereitstellen kann, muss es über eine ausreichend genaue Uhr verfügen. Die Atomuhr, die wir vorstellen werden, kann diese hochpräzise Zeitmessung erreichen und ist zur führenden Technologie für die globale Satellitenpositionierung geworden.

Hochpräziser Zeit- und Frequenz-Experimentierschrank eingebaut in der „Mengtian“-Experimentierkabine (I)

Definition von „Sekunden“

Wer das Zeitprinzip von Atomuhren verstehen möchte, muss zunächst die Definition der Zeiteinheit „Sekunde“ verstehen. Das aktuelle Internationale Einheitensystem verwendet die Definition der „Sekunde“, die auf der 13. Internationalen Konferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1967 festgelegt wurde. Sie entspricht dem 9.192.631.770-fachen der Periode der elektromagnetischen Welle, die abgestrahlt wird, wenn ein Cäsium-133-Atom in seinem ungestörten Grundzustand zwischen zwei Hyperfeinstruktur-Energieniveaus wechselt.

Wir wissen, dass die Grundeinheit der Materie das Atom ist, das aus Atomkernen und Elektronen besteht. Nach dem Bohrschen Atommodell umkreisen die Elektronen in einem Atom den Atomkern und können sich nur auf bestimmten, diskreten Bahnen bewegen. Die Elektronen in jeder Umlaufbahn haben diskrete Energien, die als „Energieniveaus“ bezeichnet werden. Elektronen können zwischen verschiedenen Umlaufbahnen springen. Wenn Elektronen elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz absorbieren, können sie von einem niedrigen Energieniveau auf ein hohes Energieniveau springen. Wenn Elektronen von einem hohen Energieniveau auf ein niedriges Energieniveau springen, können sie auch elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz aussenden. Während des Übergangsprozesses entspricht die Frequenz der von den Elektronen absorbierten oder abgestrahlten elektromagnetischen Wellen eins zu eins der Energiedifferenz zwischen den Übergangsenergieniveaus. Daher sind auch die Frequenz und Periode der elektromagnetischen Wellen festgelegt, die abgestrahlt werden, wenn das Cäsium-133-Atom im ungestörten Grundzustand zwischen zwei Hyperfeinstruktur-Energieniveaus übergeht. Als „Sekunde“ haben Physiker den Zeitraum definiert, der 9.192.631.770 Mal so lang ist wie dieser feste Zeitraum.

Hochpräziser Zeit- und Frequenz-Experimentierschrank eingebaut in der „Mengtian“-Experimentierkabine (Teil 2)

Das Prinzip der Atomuhr

Wenn man die Definition von „Sekunde“ kennt, ist das Prinzip der Atomuhr leichter zu verstehen.

Jeder hat schon einmal ein Radio benutzt. Das Funktionsprinzip einer Atomuhr ist im Grunde dasselbe wie das eines Radios. Angenommen, wir möchten einen Radiosender mit einer Frequenz von 100 MHz hören, müssen wir zuerst die Frequenz auf etwa 100 MHz einstellen. Wenn sich die Frequenz 100 MHz nähert, sind einige unscharfe Geräusche aus dem Radio zu hören. Wenn die vorherige Frequenz unter 100 MHz liegt, werden wir feststellen, dass der empfangene Ton immer klarer wird, wenn wir die Frequenz erhöhen. Wenn die vorherige Frequenz über 100 MHz liegt, werden wir feststellen, dass der empfangene Ton immer klarer wird, wenn wir die Frequenz verringern. Beim Erhöhen und Verringern der Modulationsfrequenz nähert sie sich immer mehr 100 MHz. Wenn der empfangene Ton am klarsten ist, entspricht diese Frequenz genau den gewünschten 100 MHz.

Auch bei Atomuhren gibt es einen Vorgang, der der Frequenzmodulation ähnelt. Zunächst verwendeten wir den ersten zustandsselektiven Magneten, um den Anteil der Cäsiumatome auf dem niedrigeren Energieniveau aus einer großen Anzahl von Cäsiumatomen auf den beiden Hyperfeinstruktur-Energieniveaus herauszufiltern. Unter der Einwirkung des Kollimators bilden diese Atome dann einen Atomstrahl und passieren den Mikrowellenresonanzhohlraum, ohne miteinander zu kollidieren. Der Mikrowellenresonator strahlt elektromagnetische Wellen mit einer Frequenz nahe 9.192.631.770 Hz aus. Unter der Einwirkung der elektromagnetischen Wellen wechseln einige Atome, die den Mikrowellenresonanzhohlraum passieren, von niedrigen Energieniveaus zu hohen Energieniveaus. Wenn die Atome den Mikrowellenresonator passieren, trennt der zweite zustandsselektive Magnet die Atome mit hohem Energieniveau von den Atomen mit niedrigem Energieniveau und der Detektor erkennt die Anzahl der Atome mit hohem Energieniveau. Je näher die Frequenz der elektromagnetischen Welle im Mikrowellenresonator bei 9.192.631.770 Hz liegt, desto mehr Atome wechseln in höhere Energieniveaus und desto mehr Atome mit hohem Energieniveau werden vom Detektor erfasst. Wenn die Anzahl der bei hohen Energieniveaus erfassten Atome das Maximum erreicht, beträgt die Frequenz der elektromagnetischen Welle im Mikrowellenhohlraum genau 9.192.631.770 Hz. Wir können dann das Zeit-Frequenz-Signal, das die Mikrowellenkavität steuert, als unseren Zeitstandard verwenden.

Die Atomuhr ist wie ein Radio in den Händen eines Physikers. Wenn Sie die Prinzipien des Radios verstehen, können Sie mit Sicherheit auch die Prinzipien der Atomuhr verstehen.

Ein Atom wechselt zwischen zwei Energieniveaus

Warum ist es das präziseste Zeitmessgerät?

Warum können Atomuhren in etwa 5 Milliarden Jahren eine Fehlerquote von nur 1 Sekunde aufrechterhalten? Dies beginnt mit dem Prinzip der Zeiteinteilung.

Unter Zeitmessung versteht man die Messung der Häufigkeit, mit der eine bestimmte periodische Bewegung auftritt, und eine Zeiteinheit ist eine Angabe der Häufigkeit, mit der eine bestimmte periodische Bewegung auftritt. Die Menschen der Antike steckten einen Stock in den Boden und beobachteten die periodischen Veränderungen der Position des Schattens des Stocks von Sonnenaufgang bis Sonnenuntergang. Anschließend markierten sie die Tageszeit anhand der unterschiedlichen Positionen des Schattens. Diese Art von Uhr wird „Sonnenuhr“ genannt. Bei der Entwicklung der Zeitmesstechnologie nutzten die Menschen auch fließendes Wasser und Treibsand, um den Lauf der Zeit zu messen, und schufen so Wasseruhren und Sanduhren. Die Bewegungszyklen von Sonnenuhren, Wasseruhren und Sanduhren sind instabil und werden stark von Faktoren wie Jahreszeiten, Temperatur und Reibung beeinflusst. Dies führt zu Unsicherheiten hinsichtlich der Periode und Frequenz der periodischen Bewegung und die Zeitmessung ist naturgemäß ungenau. Später erfand man stabilere mechanische Uhren, die weniger von Faktoren wie Reibung beeinflusst wurden und deren Bewegungsfrequenz sehr hoch war, wodurch dieser Fehler erheblich reduziert wurde. Eine mechanische Uhr schlägt in einer Stunde 10.000 Mal vor. Die Zeit, die eine mechanische Uhr benötigt, um 10.000 Mal zu schlagen, beträgt 1 Stunde. Das heißt, wenn Sie eine Zeit weniger zählen, geht die Zeit nur um eine Zehntausendstel Stunde nach. Die heutigen besseren mechanischen Uhren haben eine Gangabweichung von nur einem Dutzend Sekunden pro Tag.

Später wurden genauere Quarzuhren hergestellt. Eine Quarzuhr basiert auf der periodischen Schwingungsbewegung eines Quarzkristalls unter Einwirkung eines elektrischen Stroms. Diese Bewegung kann in 1 Sekunde 32.768 Mal auftreten. Im Vergleich zu mechanischen Uhren weisen Quarzuhren stabilere Perioden und eine genauere Zeitmessung auf. Eine gewöhnliche Quarzuhr läuft einen Tag lang mit einer Abweichung von nicht mehr als 2 Sekunden.

Nach der Quarzuhr wurde auch die Atomuhr erfunden. Atomuhren basieren auf der periodischen Bewegung elektromagnetischer Wellen, die von Atomen beim Übergang zwischen Energieniveaus ausgesendet werden. Die Frequenz dieser periodischen Bewegung ist sehr stabil und ändert sich nicht durch äußere Einflüsse. Es handelt sich um die für die Zeitmessung am besten geeignete periodische Bewegung. In einer Sekunde kann sich eine Cäsium-Atomuhr 9,1 Milliarden Mal bewegen, eine Strontium-Atomuhr 430 Billionen Mal und eine Ytterbium-Atomuhr 518 Billionen Mal. Daher kann die Genauigkeit der Weltraum-Kälte-Atomuhrgruppe in der „Mengtian“-Versuchskabine einen Fehler von 1 Sekunde in etwa 5 Milliarden Jahren erreichen!

Zusammenfassend kann man sagen, dass die Gründe für die hohe Präzision von Atomuhren grob in zwei Punkte unterteilt werden können: Der eine ist die Stabilität der periodischen Bewegung. Mit Ausnahme von Atomuhren werden periodische Bewegungen leicht durch externe Faktoren beeinflusst. Der zweite Grund ist die hohe Frequenz der periodischen Bewegung. Die Atomuhr kann innerhalb einer Sekunde Hunderte Millionen periodischer Bewegungen erzeugen, was die periodischen Bewegungen anderer Zeitmesser bei weitem übertrifft.

Von Liu Yuzhu, Professor und Doktorvater an der Nanjing University of Information Science and Technology und Zhai Ruoyu, Nanjing University of Information Science and Technology