Louis Essen & Jack Perry mit der ersten Atomuhr im Jahr 1955. Bildquelle: National Physical Laboratory
M Entfernung, Geschwindigkeit, sogar etwas so Ungreifbares wie Ton, kann ich meinen Kopf irgendwie einwickeln. Aber die Zeit fließt auf mysteriöse Weise, die unser Verstand oft nicht verstehen kann. Manchmal fliegt es, und wenn wir es am wenigsten wollen, scheint es still zu stehen. Es ist also verständlich, dass es eine der größten Faszinationen darstellt, und zwar nicht nur aus solchen philosophischen, sondern auch aus wissenschaftlichen Gründen. Der genaueste aller Zeitmesser, die Atomuhr, wird heute 62 Jahre alt, also lassen Sie uns zurückschauen, wie er am 3. Juni 1955 begann zu ticken und zu summen.
Eine schematische Darstellung der ersten Cäsiumatomuhr. Bildquelle: National Physical Laboratory
Die frühen Anfänge
Vor Tausenden von Jahren begann alles mit den einfachsten Beobachtungen, wie die Wiederholung von Tagen und Nächten oder die periodische Abfolge von Jahreszeiten – leicht genug, um den Überblick zu behalten. Alles andere, wie Wochen, Monate oder Stunden und Sekunden, waren viel schwieriger zu quantifizieren. Ich arbeite an einem Artikel, der die Geschichte von Zeit und Zeitmessung aus der Perspektive eines Uhrenliebhabers diskutiert. Lassen Sie uns nun diese paar tausend Worte (und Jahre) überspringen und erfahren, wie die atomare Zeitmessung entstanden ist.
Salvador Dalí: Die Beständigkeit der Erinnerung. Bildquelle: Museum für Moderne Kunst
Zeit ist definitionsgemäß der unbestimmte, fortgesetzte Fortschritt von Existenz und Ereignissen, die in scheinbar unumkehrbarer Folge von der Vergangenheit durch die Gegenwart in die Zukunft eintreten. Eine operationale Definition der Zeit ergibt sich aus der Beobachtung einer bestimmten Anzahl von Wiederholungen eines zyklischen Standardereignisses (wie das Durchlaufen eines freischwingenden Pendels), das wiederum eine Standardeinheit darstellt. Mit anderen Worten, um Zeit zu messen, müssen wir sie in gleich lange und sich wiederholende Ereignisse aufteilen und diese Ereignisse dann zählen.
Eine Sekunde wurde als 1 / 86,400 des mittleren Sonnentages definiert, aber Unregelmäßigkeiten in der Erdrotation lassen diese Zeitmessung sehr ungenau werden. Die genauere Zeit, die wir behalten möchten, die kleineren und konsistent wiederholenden Segmente, in die wir sie teilen müssen.
Die Idee, atomare Übergänge zu verwenden, um Zeit zu messen, wurde von Lord Kelvin 1879 vorgeschlagen, aber von der Idee bis zur Realisierung war es noch ein weiter Weg. Wie wir sehen werden, werden auch Magnete und Magnetismus eine Rolle spielen. Wir werden hier erwähnen, dass es Isidor Rabi war, der die Theorie hinter der Magnetresonanz weiter entwickelte, um zuerst im Jahre 1945 zu vermuten, dass die Magnetresonanz des atomaren Strahls verwendet werden könnte die Basis einer Uhr.
Ammoniak Master Atomuhr. Bildquelle: NIST
Die erste Atomuhr wurde kurz darauf entwickelt, als das US National Bureau of Standards (NBS, jetzt NIST) 1949 ein Ammoniak-Maser-Gerät baute. Lustigerweise – aber vielleicht nicht überraschend – war es weniger genau als existierende Quarzuhren erstellt mehr als eine Demonstration des Konzepts.
Die erste Atomuhr, ausgestellt im Science Museum, London
Die erste praktische Atomuhr von Louis Essen & Jack Perry
Der britische Physiker Louis Essen promovierte und promovierte an der Universität von London, bevor er sich dafür interessierte, Wege zu finden, die Zeitmessung von traditionellen Definitionen zu entfernen, die sich in der Periode der Erdrotation widerspiegeln.
Fasziniert von der Möglichkeit, die Frequenz von Atomspektren zu nutzen, um die Zeitmessung zu verbessern, erfuhr er, dass die Machbarkeit der Zeitmessung mit Cäsium als atomare Referenz bereits von der NBS demonstriert wurde. 1955 entwickelte er in Zusammenarbeit mit Jack Parry die erste praktische Atomuhr, indem er den Cäsium-Atom-Standard mit herkömmlichen Quarzoszillatoren kombinierte, um die Kalibrierung der vorhandenen Zeitmessung zu ermöglichen.
1,3 Kilogramm Cäsium-133 in einem Glasbehälter versiegelt. Über: reddit.com
Durch die Verwendung von Mikrowellen zur Anregung von Elektronen innerhalb von Cäsiumatomen von einem Energieniveau zum anderen konnte Essen die Mikrowellen in einer präzisen und reproduzierbaren Frequenz stabilisieren. Ähnlich wie das Pendel schwingt auch Essens Atomuhr auf dieser Frequenz, um den Lauf der Zeit zu verfolgen.