Forscher bauen hochgenaue Atomuhren, die Raumzeitverformungen erkennen können.

Physiker haben Atomuhren geschaffen, die so präzise sind, dass sie Raumzeitverzerrungen durch Anziehungen der Schwerkraft und schließlich vielleicht der dunklen Materie messen können.

In einer neuen Studie diskutierten Physiker des National Institute of Standards and Technology die exquisite Präzision des Paares unabhängiger Atomuhren und wie sie diese erreichen konnten.

Eine rekordverdächtige Uhr
Beide Uhren wurden aus Tausenden von Ytterbiumatomen in optischen Gittern aus Laserstrahlen hergestellt, die sie unbeweglich halten. Wenn sie von einem Laser mit genau der richtigen Frequenz getroffen werden, werden die Elektronen der Atome angeregt und schwingen dann, bevor sie eine andere Komponente passieren, den sogenannten optischen Frequenzkamm. Der Prozess erzeugt ein Signal, das den Tick des Taktgebers erzeugt.

Physiker haben die Genauigkeit der Uhren gemessen, indem sie sie mit drei wichtigen Messungen verglichen haben: systematische Unsicherheit, Stabilität und Reproduzierbarkeit.

„Systematische Unsicherheit, Stabilität und Reproduzierbarkeit können als der „Royal Flush“ der Leistung für diese Uhren angesehen werden“, erklärte Andrew Ludlow, Projektleiter und Co-Autor der Studie. „Die Übereinstimmung der beiden Uhren auf diesem beispiellosen Niveau, die wir Reproduzierbarkeit nennen, ist vielleicht das wichtigste Einzelergebnis, weil sie die beiden anderen Ergebnisse im Wesentlichen erfordert und begründet.“

Die Ergebnisse waren verblüffend. Die Uhren waren synchron mit der Eigenfrequenz des Ytterbiums mit einem Fehler von 1,4 Teilen im Jahr 1018 oder einem Milliardstel eines Milliardstels, die Veränderung betrug nur 3,2 bis 1019, und mit einem Unterschied unter dem Niveau von 10-18 oder wiederum weniger als einem Milliardstel eines Milliardstels.

Mit diesen Messungen würden die Uhren länger als das Zeitalter des Universums brauchen, bevor sie eine Sekunde verlieren. Das sind etwa 14 Milliarden Jahre.

Weitere Einsatzmöglichkeiten
Atomuhren können auch zur Messung der Schwerkraft verwendet werden. Wenn sie zum Beispiel auf einer höheren Ebene hier auf der Erde platziert würde, würde die Zeit etwas schneller vergehen, denn, wie Albert Einstein berühmtermaßen theoretisierte, wird die Zeit von den Anziehungen der Schwerkraft beeinflusst. Daher könnten die Uhren für Experimente verwendet werden, bei denen die Verzerrung der Raumzeit gemessen wird.

Darüber hinaus zeigten die Physiker, dass die Uhren verwendet werden können, um die dunkle Materie zu erkennen, das Zeug im Universum, das mit den menschlichen Augen oder sogar durch die modernsten Teleskope nicht sichtbar ist. Allerdings sind sich die Wissenschaftler der Existenz der Dunklen Materie aufgrund ihrer Schwerkraft bewusst.

Die Physiker hinter der Studie sind der Meinung, dass die Uhr in der Lage sein könnte, das Vorhandensein dunkler Materie zu erkennen, indem sie untersucht, wie ihre Schwerkraft die Raumzeit verändert. Theoretisch, wenn es mit der dunklen Materie interagiert, würden die Uhren entweder schneller oder langsamer werden.

Die Studie ist in der Zeitschrift Nature zu finden.

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