Perfektes Timing ist komplizierter als Sie denken. Die meisten Uhren verlangsamen sich mit der Zeit (was nur wenige Leute bemerken) und winzige Unvollkommenheiten im Herstellungsprozess sorgen dafür, dass keine zwei Uhren wirklich synchron sind. Atomuhren sind derzeit die fortschrittlichsten Zeitmesser, die wir entwickelt haben. Zumindest waren sie das vor der Erfindung der Atomuhren.
Anfang dieses Monats entwickelten Forscher einen Prototyp einer „optischen Nuklearuhr“, einem Zeitmessgerät, das noch präziser sein würde als die Standard-Atomuhren, die die NASA in ihren Satelliten verwendet. Die Forscher detailliert die neue Uhr und ihre Funktionsweise und veröffentlichten ihre Arbeit auf arXiv. Grundsätzlich messen Kernuhren die Zeit mit den Schwingungen eines Lasers, der auf die genaue Frequenz abgestimmt ist, die den Kern der Thorium-229-Atome (gespeichert in einem Kalziumfluoridkristall) zwischen Quantenzuständen umschaltet. Wenn die Frequenz driftet, ändern weniger Atome ihren Zustand und der Laser muss neu eingestellt werden, um die Genauigkeit beizubehalten.
Da es sich bei dem Gerät um einen Prototypen handelt, ist es noch lange nicht für den großtechnischen Einsatz geeignet. Es hat jedoch potenzielle Anwendungsmöglichkeiten bei der Suche nach dem unsichtbaren theoretischen Material, das das Universum und seine Gesetze verbindet, der sogenannten Dunklen Materie. Denken Sie an die Macht aus „Star Wars“, aber weniger mystisch. Normalerweise können wir Dunkle Materie jedoch nicht nachweisen, da sie mit den meisten Teilchen in nahezu verschwindendem Maße interagiert. Allerdings ist eine optische Thorium-229-Kernuhr so empfindlich und präzise, dass Schwingungen ihrer konstanten Feinstruktur (der elektromagnetischen Kraft zwischen Teilchen), die nicht mit denen ähnlicher Uhren übereinstimmen, als Beweis für das Vorhandensein dunkler Materie gewertet werden könnten. Die Feinstrukturkonstante wird für alle Elemente als konstant angenommen. Andererseits behaupten einige Wissenschaftler, dass dunkle Materie nicht existiert, daher ist dies zum jetzigen Zeitpunkt alles theoretisch.
Ein Zeitpunkt, der lange auf sich warten ließ
Obwohl es den Anschein hat, als stamme es aus den Seiten eines „Star Trek“-Drehbuchs (oder zumindest wie eine von Science-Fiction-Romanen inspirierte Erfindung), wurden Atomuhren in den 1950er Jahren erfunden. Ebenso gibt es Atomuhren schon länger, als die meisten Menschen denken. Zumindest die Theorie dahinter.
Die Idee einer optischen Kernuhr wurde 2003 ins Leben gerufen (Sie können den Artikel in Europhysics Letters lesen). Die ursprüngliche Idee sah vor, dass Thorium-229-Atome in Hochfrequenzfallen untergebracht sein könnten. Die Wissenschaftler, die die Arbeit verfasst haben, glaubten, dass Thorium-229 den idealen Kern für eine Kernuhr darstellen würde, da das Element von äußeren magnetischen und elektrischen Feldern nicht beeinflusst wird. Nicht weit von der aktuellen Version der optischen Kernuhr entfernt.
Warum haben Wissenschaftler so lange gebraucht, um aus dieser Theorie Kapital zu schlagen? Unsere Technologie musste mit unserer Vorstellungskraft Schritt halten. Thorium-229 verfügt über einen sehr spezifischen Energiesprung, der für die Stimulation mit einem Laser geeignet ist, dieser Laser muss jedoch häufig überwacht und nachjustiert werden, idealerweise ohne menschliches Eingreifen oder Eingreifen. Ohne diese Rückkopplungsschleife würden Sie einfach einen Laser auf den Gegenstand richten, ohne eine echte Zeitmessung durchzuführen. Aber jetzt, da wir über die erforderliche Technologie verfügen, können wir nicht nur Prototypen von Atomuhren herstellen, sondern die Forscher sind auch zuversichtlich, dass dieses Gebiet rasch voranschreiten wird. Wir drücken die Daumen, diese Fortschritte werden die Suche nach Dunkler Materie revolutionieren.