Eine neuartige Uhr, die die Genauigkeit der Zeitmessung um den Faktor 1.000 verbessert, könnte es Wissenschaftlern ermöglichen, den Kosmos wie nie zuvor zu studieren und zu erforschen, Gravitationswellen zu erkennen, nach dunkler Materie zu suchen und Präzisionstests der grundlegenden Prinzipien der Natur durchzuführen.
Die Uhr ist so präzise, dass sie weniger als 1 Sekunde verlieren würde, wenn sie 30 Milliarden Jahre betrieben würde, was mehr als doppelt so alt ist wie das Universum.
Hidetoshi Yatori von der University of Tokyo und Jun Ye von der University of Colorado Boulder sind die beiden Physiker hinter der sogenannten optischen Gitteruhr, und ihre unabhängige Forschung war entscheidend für ihre Entwicklung.
Ihre Forschung wurde jetzt mit dem 3 Millionen US-Dollar 2022 Breakthrough Prize in Fundamental Physics gekrönt, einem der jährlichen Preise, die von der Breakthrough Foundation vergeben und unter anderem von Sergey Brin und Mark Zuckerberg finanziert werden.wie von Vertretern des Breakthrough Prize angekündigt.
Optische Gitteruhren erklärt
Optische Gitteruhren sind der nächste Schritt über unseren Standard hinausAtomuhren, die auf der Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit den angeregten Zuständen bestimmter Atome beruhen, um die Zeit zu halten. Sie werden in globalen Navigationssatellitensystemen wie GPS verwendet und beispielsweise zur Steuerung der Wellenfrequenz von Fernsehsendungen.
Die Labore von Katori und Ye haben ein Mittel gefunden, um diese Uhren noch genauer zu machen, indem sie Schwingungen an das sichtbare Ende des elektromagnetischen Spektrums bringen, mit Frequenzen, die hunderttausendmal höher sind als die, die in bestehenden Atomuhren verwendet werden. Sie erkannten, dass sie es brauchteneine Möglichkeit, die Atome einzufangen und bei extrem niedrigen Temperaturen bewegungslos zu halten, um die Zeit richtig zu messen.Wenn die Atome aufgrund der Schwerkraft fallen oder sich auf andere Weise bewegen, würde dies zu einem Präzisionsverlust führen, und die Relativität würde dazu führen, dass die Zeitmessung verzerrt wirdAtome entwickelten die Forscher ein "optisches Gitter", eine stehende Welle, die von einem Laserstrahl erzeugt wird, die eine Eierkartonform mit Vertiefungen erzeugt, die sich perfekt zum Einfangen der Atome eignen.
"Es ist fast wie ein Science-Fiction-Traktorstrahl", Du hast es erklärtSpace.com. "Du legst einen Traktorstrahl in die Mitte der Vakuumkammer und du kannst Atome in der Mitte der Vakuumkammer mit Licht halten."
"Wir haben es so konstruiert, dass dieses Festhalten an diesen Atomen keine Störungen bei der Messung des Energieabstands zwischen diesen beiden Quantenzuständen verursacht, die für die Uhrenmessung wirklich wichtig sind. Das war also fast sodas kostenlose Mittagessen."
Dieser Durchbruch ebnete den Weg für die optische Gitteruhr, die Yatori und Ye den Durchbruchspreis in Fundamentaler Physik einbrachte. Im Vergleich dazu verlieren aktuelle Atomuhren alle 100 Millionen Jahre eine Sekunde.die Genauigkeit der optischen Gitteruhren.
Die Einsatzmöglichkeiten der Technologie sind zahllos, und in Kombination mit der aktuellen Technologie könnten sie die GPS-Navigationsgenauigkeit um den Faktor Tausend erhöhen, die geologischen Prozesse der Erde beleuchten, eine genauere Steuerung von Raumsonden ermöglichen und den Forschern helfen, besser zu verfolgenvulkanische und seismische Ereignisse und Hilfe bei der Landung einer unbemannten Raumsonde auf dem Mars. Astronomen könnten auch Schwarze Löcher besser verstehen, wenn die Uhren der Weltobservatorien auf den kleinsten Bruchteil einer Sekunde synchronisiert würden.