Wie eine Atomuhr die Zeit misst
Das Design von Atomuhren enthält einen Quarzkristall: Er zieht sich zusammen und
Um zu verstehen, wie das funktioniert, müssen Sie sich erinnernStruktur des Atoms. Im Zentrum befindet sich ein Kern, der positiv geladen ist. Um ihn herum befinden sich negativ geladene Elektronen, jedes auf seiner eigenen Umlaufbahn. Darüber hinaus befindet sich jeder von ihnen auf einem bestimmten Energieniveau, das heißt, er verfügt aufgrund der Anziehungskraft auf den Kern über eine bestimmte Energiemenge.
Diese Stufe kann durch Senden geändert werdendas Elektron hat mehr Energie, dafür kann man zum Beispiel das Atom erhitzen. Dann kehrt das Elektron wieder auf sein Niveau zurück und gibt den Überschuss in Form von Strahlung ab. Alles baut auf dieser Strahlung auf: Sie hat eine bestimmte Frequenz und ähnelt einem Pendel in einer Uhr.
Heute können Atomuhren mit Atomen von Rubidium, Strontium, Wasserstoff arbeiten: Das Prinzip ändert sich daran nicht.
Das Design von Atomuhren wird ständig verbessert, beispielsweise wurde ein Mechanismus erfunden, der alle paar hundert Milliarden Jahre um eine Sekunde nacheilt.
Ohne Atomuhr keine Navigation auf der Erde und im Weltraum
Die Atomuhr wird hauptsächlich für die Navigation benötigt:GLONASS und GPS, da diese Systeme die zeitliche Entfernung eines Signals von einem Punkt auf der Erde zu einem Satelliten und zurück bestimmen. Eine Uhr wird verwendet, um die Entfernung zwischen Objekten zu messen, basierend darauf, wie lange ein Signal braucht, um von Punkt A zu Punkt B zu gelangen.
Derzeit nutzt die Navigation kühlschrankgroße Atomuhren auf der Erde, um den Standort eines Raumfahrzeugs zu bestimmen.
Es kann mehr als eine Stunde dauern, bis das Signal das Raumschiff erreicht und zur Erde zurückkehrt.
Aus diesen Daten werden Koordinaten und Anweisungen berechnet und an das Raumschiff zurückgesendet.
Wenn das Raumschiff eine eigene Uhr an Bord hat, kann es seine eigene Flugbahn berechnen. Auf diese Weise können Sie weiter reisen und Menschen sicher zu anderen Planeten transportieren.
Finden Sie mit Atomuhren den Abstand zwischen Planeten heraus
Aber der Hauptkunde von Atomuhren sind Astronomen. Mithilfe von Atomuhren messen sie große Entfernungen im Weltraum und bestimmen, wie weit wir von einem bestimmten Planeten oder Asteroiden entfernt sind.
Dazu senden sie ein Signal und legen den Zeitpunkt seiner Rückkehr fest. Wenn der Fehler nur eine Sekunde lang ist, können Sie etwa dreihunderttausend Kilometer an Genauigkeit verlieren.
Wie eine Atomuhr beim Auffinden der Dunklen Materie helfen kann
Dunkle Materie kann unsere beeinflussengewöhnliche Angelegenheit und das muss Konsequenzen haben. Eine davon könnte eine Änderung der Feinstrukturkonstante sein, einer der grundlegenden physikalischen Konstanten.
Die Feinstrukturkonstante ist das Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeit des Elektrons im ersten Orbital zur Lichtgeschwindigkeit und beträgt etwa 0,007.
Bisher glaubten Wissenschaftler, dass diese Konstante immer dem gleichen Wert entspricht, aber wie jüngste Entdeckungen gezeigt haben, kann sie leicht variieren.
Einer Theorie zufolge handelt es sich bei Dunkler Materie um topologische Defekte im Raum, die während des Urknalls entstanden sind. Sie können die Konstante beeinflussen.
Wissenschaftler haben also mehrere Atomuhren verwendetWie sich Topologiedefekte auf entfernte Objekte im Raum auswirken sollten, muss sich auf verschiedene im Raum getrennte Uhren unterschiedlich auswirken.
Um die Genauigkeit zu verbessern, haben die Autorenkombinierte Uhren zur Verbesserung der Genauigkeit in einem Netzwerk aus vier Geräten, die sich jeweils in einem der Länder befinden: Polen, USA, Japan und Frankreich. Daten aller Geräte werden kombiniert, um topologische Effekte zu analysieren.
Ultrapräzise Atomuhr wird in der Lage sein, die Verzerrung der Raumzeit zu messen
Wissenschaftler sind zuversichtlich, dass eine ausreichend genaue Atomuhr als Werkzeug dienen kann, um zu messen, wie Objekte aufgrund der Schwerkraft den umgebenden Raum verzerren.
Physiker am National Institute of Standards and Technology in Boulder nutzten Laser und schufen eine provisorische Falle für Atome: Sie sah aus wie mehrere sehr kleine Becher.
Tausende von Ytterbium-Atomen füllen diese Näpfe, wenn sie einem Laserstrahl der richtigen Frequenz ausgesetzt werden, und Elektronen in der Umlaufbahn gehen auf ein Energieniveau über.
In einem solchen System tun Elektronen mehrBilliarden Übergänge. Sobald der Laser auf die „ideale“ Frequenz eingestellt ist, beginnt die Übersetzung der Information aus der Frequenz der Laserstrahlung in ein Signal, das von einem elektronischen Gerät, also der Uhr selbst, empfangen und dekodiert werden kann.
Wissenschaftler konnten den Laser so einstellen, dass die gewonnenen Daten nun helfen, den Einfluss der Schwerkraft auf die Raumzeit selbst zu bestimmen.
Atomuhren sind ein wichtiges Messinstrumenteine so vergängliche Größe wie die Zeit. Ohne sie wird es nicht möglich sein, kleinste Änderungen der Erdzeit zu verfolgen oder die Entfernung zu benachbarten Planeten und Galaxien zu messen.
Und in Zukunft werden Atomuhren für die Besiedlung von Planeten und das Studium der Dunklen Materie unverzichtbar.
Aber es ist unwahrscheinlich, dass sie jemals ein Haushaltsgerät werden.
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