Wie viel wiegen Sie in Sekunden?

Armbanduhr

Ob Sie es glauben oder nicht, statt einem Kilogramm Äpfel oder Birnen können Sie in Sekundenschnelle die richtige Menge verkaufen lassen.

Die moderne Zivilisation wäre ohne Messungen nicht möglich, und Messungen wären bedeutungslos, wenn nicht überall auf der Welt dieselben Maßeinheiten verwendet würden. Seit vielen Jahren (fast 150) haben sich Metrologen auf der ganzen Welt durch das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) mit Sitz in Frankreich in der Nähe von Paris auf strenge Definitionen von Maßeinheiten geeinigt. Das BIPM regelt derzeit sieben grundlegende Einheiten, die Zeit, Länge, Masse, elektrischer Strom, Temperatur, Lichtintensität und Materiemenge regeln. Zusammen sind diese Einheiten nichts anderes als die Sprache der modernen Wissenschaft, Technologie und Wirtschaft.

Aber Wissenschaftler verfeinern diese allgemein anerkannten Standards ständig. 2018 wurden neue Definitionen für Kilogramm (Masse), Ampere (Stromstärke), Kelvin (Temperatur) und Mol (Stoffmenge) verabschiedet. Es klingt fantastisch, aber jetzt unterliegen alle Standards mit Ausnahme des Maulwurfs einem - der Zeit. Ein Meter zum Beispiel ist definiert als die Entfernung, die Licht im Vakuum in 1/299stel Sekunde zurücklegt. Auf die gleiche Weise basiert jetzt die Definition eines Kilogramms auf einer Sekunde, und es ist nicht so schwierig, herauszufinden, wie das geht.

Das bedeutet, dass Sie theoretisch, obwohl es nicht jedem klar sein wird, das Gewicht oder die Länge in Sekundenschnelle bestimmen können.

Die Wissenschaft steht nicht still, jetzt haben sie beschlossen, eine Sekunde zu nehmen und ihm eine neue Definition zu geben, aber in der Erkenntnis, dass die gesamte Architektur globaler Messungen von diesem Wert abhängt, versprechen sie, seine Dauer nicht zu ändern. Fasziniert? Dann lassen Sie uns in die Geschichte des Problems eintauchen.

Früher bestimmten die Menschen die Zeit, indem sie in den Himmel schauten. Aber seit 1967 haben sich Metrologen darauf geeinigt, die Zeit zu bestimmen, indem sie die Prozesse innerhalb des Atoms messen und, schön gesagt, den ewigen Herzschlag des Universums zählen. Aber die Zeit ist immer noch eng mit den Prinzipien ihrer astronomischen Messung verbunden. Ursprünglich wurde die Zeit durch die Bahn der Erde in ihrer täglichen Drehung bestimmt, von Tag zu Nacht und zurück. Irgendwann teilten die altägyptischen Astronomen mit einem duodezimalen Zahlensystem (basierend auf 12) Tag und Nacht in jeweils 12 Stunden ein, was 24 Stunden an einem Tag ergab.

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Aber die Stunden waren unterschiedlich lang, je nachdem, wo sich die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne befand. Vor etwas mehr als 2000 Jahren kamen griechische Astronomen, die feste Werte brauchten, um beispielsweise die Bewegung des Mondes zu berechnen, auf die revolutionäre Idee, einen Tag in 24 gleich lange Stunden zu unterteilen. Dasselbe "astronomische" Denken führte sie dazu, die alte babylonische Methode des Zählens bis 60 (sexagesimal) auf Uhren anzuwenden. So wie sie die 360 ​​Grad des Kreises oder der Sphäre der Erde in 60 Teile oder Minuten einteilten, teilten sie jede Minute in 60 Sekunden ein.

Die erste Einteilung des Tages (im Lateinischen als partes minutae primae bekannt) gab ihnen die Länge einer Minute, was 1/1440 eines mittleren Sonnentages entsprach. Die zweite Teilung (partes minutae secundae) gab ihnen die Dauer – und zugleich den Namen – einer Sekunde, das war 1/86 eines Tages. Tatsächlich dauerte diese Definition bis 400.

Aber die Probleme sind nicht verschwunden. Die Erde verlangsamt allmählich ihre tägliche Drehung; die tage werden etwas länger, die astronomische sekunde auch. Diese kleinen Unterschiede summieren sich. Sie schreiben, dass aufgrund der Hochrechnung historischer Sonnenfinsternisse und anderer Beobachtungen die Erde als Werkzeug zur Zeitbestimmung (wie eine Uhr!) in den letzten 2000 Jahren mehr als drei Stunden verloren hat – kein so schlechtes Ergebnis für einen Armbandchronometer , aber für einen wissenschaftlichen Ansatz nicht geeignet.

Es stellt sich heraus, dass die auf astronomischen Kalkülen basierende Standardzeiteinheit nicht konstant ist, und diese Realität wurde für Metrologen in den ersten Jahrzehnten des letzten Jahrhunderts zunehmend unerträglich, als sie entdeckten, wie ungleichmäßig die Rotation der Erde war. Und Wissenschaft braucht Beständigkeit und Verlässlichkeit. Wie die Zeit war die Gesellschaft Ende der 1960er Jahre zunehmend abhängig von Funkfrequenzen, die eine äußerst präzise Synchronisation erforderten.

Im Zeitalter des Atoms wandten sich die Metrologen dem Atom zu, oder besser gesagt, der viel besser vorhersagbaren Bewegung atomarer Teilchen. Atome nutzen sich niemals ab oder verlangsamen sich. Ihre Eigenschaften ändern sich im Laufe der Zeit nicht. Perfekte Uhr. Lernen Sie Cäsium-133 kennen.

Cäsium, ein silbrig-goldenes Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist, hat schwere, sich langsam bewegende Atome, was bedeutet, dass sie relativ leicht zu verfolgen sind. Die Wissenschaftler brachten Cäsiumatome in ein Vakuum und setzten sie Mikrowellenenergie in einem unsichtbaren elektromagnetischen Feld aus. Die Herausforderung bestand darin, herauszufinden, bei welcher Wellenlänge oder Frequenz möglichst viele Cäsiumatome ein Lichtpaket oder ein Photon aussenden. Photonen wurden von einem Detektor eingefangen und gezählt. Als Ergebnis wurde die Wellenlänge als natürliche Resonanzfrequenz des Atoms bezeichnet.

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Stellen Sie sich der Einfachheit halber ein Pendel vor. Ein Pendel, das in einem für diese Atomart einzigartigen Rhythmus arbeitet. Im Fall von Cäsium-133 beträgt die Frequenz 9 Zyklen pro Sekunde. Die Länge der im Experiment verwendeten Sekunde basierte auf der Länge des Tages im Jahr 192, als die ursprünglichen wissenschaftlichen Experimente durchgeführt wurden. Bis 631 hatten Metrologen des Bureau of Weights and Measures die Resonanzfrequenz von Cäsium-77 als offizielle Dauer der Sekunde festgelegt.

Trotz dieser auf Cäsium basierenden Definition sind astronomische Zeit und Atomzeit immer noch untrennbar miteinander verbunden. Erstens muss die Atomzeit manchmal korrigiert werden, damit sie mit der astronomischen Zeit übereinstimmt, da die Erde ihr Tempo weiterhin unregelmäßig ändert, während die Atomzeit konstant bleibt. Wenn die Atomzeit fast eine Sekunde schneller als die astronomische Zeit wird, halten die Zeitmesser sie für einen Moment an, damit die Erde aufholen kann – sie fügen eine zusätzliche Sekunde pro Jahr hinzu.

Obwohl sich die Länge einer Sekunde nicht ändert, ändert sich also die Länge einer Minute von Zeit zu Zeit. Nachdem 10 zunächst 1972 Schaltsekunden hinzugefügt wurden, fügen Zeitmesser nun ungefähr alle anderthalb Jahre eine Schaltsekunde zur Atomzeit hinzu.

Auch, so seltsam es klingt, wir zählen immer noch die Sekunden der Ära 1957, sogar mit unseren modernen Atomuhren. Denn die Eigenresonanzfrequenz von Cäsium-133 wurde 1957 gemessen und an die Dauer der astronomischen Sekunde in jenem Jahr gebunden, eine Tatsache, die sich auch bei einer erneuten Neudefinition des Sekundenwerts nicht ändern würde.

Aber wenn ja, warum ist die zweite eine neue Definition? Schuld daran ist eine andere wissenschaftliche Erfindung – eine optische Atomuhr. Sie arbeiten nach den gleichen Prinzipien wie eine Cäsiumuhr, messen aber Atome, die eine viel höhere Eigenresonanzfrequenz (bedingt Ticken) haben. Diese Frequenzen liegen im sichtbaren oder optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums und nicht im Mikrowellenbereich, daher der Name.

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Es gibt verschiedene Arten von optischen Uhren, von denen jede die "Ticks" eines einzelnen Atoms oder Ions zählt - Ytterbium, Strontium, Quecksilber, Aluminium und andere.

Warum, fragt man sich, brauchen wir noch mehr Genauigkeit? Zum Teil, weil die Zeit nicht sie selbst ist; es hängt mit Schwerkraft und Masse zusammen und wird von ihnen beeinflusst. Die Zeit (Fanfare!) ist auch nicht konstant, obwohl man in Kenntnis der Existenz eines internationalen Standards davon ausgehen kann. Die Relativitätstheorie von Albert Einstein zum Beispiel legt nahe, dass sich die Zeit langsamer bewegt, wenn sie sich in der Nähe eines massiven Körpers wie eines Planeten befindet, weil sie aufgrund der Schwerkraft langsamer wird.

Das heißt, wenn sich der Gang der optischen Uhr auch nur geringfügig ändert, können sich auch die physikalischen Bedingungen ändern, in denen sich die Uhr befindet. Die Fähigkeit, diese Veränderungen zu lesen, soll es uns ermöglichen, Objekte wie dunkle Materie oder Gravitationswellen mit optischen Atomuhren zu erkennen. Schrecklich, oder? Weiter lesen.

Im Jahr 2015 begannen amerikanische Physiker gerade mit der Entwicklung ihrer optischen Atomuhren und waren verwundert darüber, dass Sekunden in Uhren, die sich in Labors an verschiedenen Adressen befanden, etwas anders gezählt wurden. Relativitätstheorie in Aktion? Können optische Uhren auf kleine Änderungen der Schwerkraft reagieren? Sie ordneten Messungen des Höhenunterschieds zwischen den Labors an, in denen die Uhr stand, weil die Höhe wie die Zeit mit der Schwerkraft und der Masse zusammenhängt. Die Uhren waren wirklich auf unterschiedlichen Höhen. Ihre leicht unterschiedlichen Zeitmessungen erfassten subtile Änderungen im Gravitationsfeld. Die optische Uhr, die nur einen Zentimeter höher war als die anderen, lief schneller!

Einsteins Vorhersage darüber, was Masse und Schwerkraft im Laufe der Zeit tun, ist nicht wirklich unglaublich. Es bleibt zu lernen, wie man es in der Praxis verwendet.

Quelle