Ist eine ideale Cäsium-Standard-Atomuhr genauer als Einsteins Gedankenexperiment-Lichtuhr?

Wenn wir echte Uhren in Betracht ziehen, gewinnt die Cäsiumuhr zweifellos.

Eine Sekunde ist definiert als die Zeit, die für 9192631770 Schwingungen bei der Frequenz der Cäsium-Hyperfeinlinie benötigt wird. Sobald Sie also Ihre Mikrowellenquelle an die Cäsium-Absorptionslinie angepasst haben, brauchen Sie nur noch die Anzahl der Schwingungen Ihrer Mikrowellenquelle zu zählen, dh 9192631770, und das ist mit moderner Elektronik trivial einfach. Ihre Genauigkeit liegt also bei etwa einem Teil von etwa$10^{10}$.

Angenommen, Sie stellen eine Lichtuhr aus zwei Spiegeln her, dann hängt die Genauigkeit davon ab, ob der Abstand zwischen den Spiegeln korrekt ist. Wenn Ihre Spiegel also einen Meter voneinander entfernt wären, müsste der Abstand genau einen Meter betragen, um mit der Cäsiumuhr übereinzustimmen von 1 Angström. Dies ist sicherlich möglich, aber nicht trivial, und Sie müssen Vibrationen und Temperaturschwankungen sorgfältig kontrollieren, um die Genauigkeit beizubehalten.

Cäsiumuhren sind wirklich ganz einfache Geräte. Sie können sie buchstäblich von der Stange kaufen.

Zwei ideale Uhren eines beliebigen Mechanismus werden immer miteinander übereinstimmen. Wenn sie beide ideal sind, messen sie beide die Eigenzeit vollkommen genau.

Wie John Rennie erwähnt, ist die Lichtuhr auf eine präzise Messung des Abstands zwischen den beiden Spiegeln angewiesen, und dieser Abstand muss stabil bleiben, während die Uhr läuft. Es ist viel einfacher, die Zeit genau zu messen als die Entfernung, also würden wir eine Atomuhr verwenden, um die Spiegelentfernung zu messen und aufrechtzuerhalten.

Außerdem müssen wir die Momente, in denen das Licht von den Spiegeln reflektiert wird, irgendwie genau messen, und die Genauigkeit dieser Messung ist durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt; die kürzeste sichtbare Wellenlänge liegt bei etwa 400 nm, was ~ entspricht$1.33×10^{-15}$Sekunden. Wir könnten ultraviolettes Licht für eine kürzere Wellenlänge und vielleicht sogar Röntgenstrahlen verwenden, obwohl Sie bei Röntgenstrahlen sehr flache Reflexionswinkel verwenden müssen.

Es ist einfach praktisch nicht möglich, eine Lichtuhr im Einstein / Langevin-Stil herzustellen, die auch nur annähernd die Genauigkeit einer guten Atomuhr haben könnte. Die Spiegel müssen präzise und ohne Vibrationen von außen positioniert werden. Natürlich werden die Spiegel durch die abprallenden Photonen zum Schwingen gebracht, vermutlich erkennen wir so die Reflexionen. Die Spiegeltemperatur muss konstant gehalten werden, und der Raum zwischen ihnen muss ein ultrahartes Vakuum sein.

Nach aktuellen internationalen Standards wird die Sekunde durch den Cäsium-Standard definiert, der die Grundlage wirklich guter Atomuhren darstellt.

Die Cäsiumuhr ist gut, aber nicht der beste Zeitmesser, den wir haben. Die erste Atomuhr war ein Ammoniak-Maser, der 1949 gebaut wurde, aber er war weniger genau als die besten damals erhältlichen Quarzuhren. Die Cäsium-133-Uhr wurde einige Jahre später, 1955, entwickelt. Seitdem wurden einige Verbesserungen am Design vorgenommen. Der moderne Cäsiumbrunnen verwendet eine kleine "Wolke" aus lasergekühlten Atomen im freien Fall. Verwendung der optischen MelasseTechnik wird die Atomtemperatur auf ~40 Mikrokelvin reduziert. Doch selbst bei Verwendung einer kleinen Population solch kalter Atome sind gewisses thermisches Rauschen und Atomkollisionen unvermeidlich, wenn die Wolke durch Mikrowellen angeregt wird. Aber selbst wenn wir ein einzelnes Atom bei Pikokelvin-Temperaturen verwenden könnten, gäbe es immer noch eine gewisse Breite der Übergangsfrequenz, es kann aufgrund der Zeit-Energie-Unsicherheit keine einzelne Zahl sein.

In Ihrer Frage lauert ein weiteres Problem. Zeit ist das, was eine Uhr misst. Eine SI-Sekunde ist definiert als die Zeit, die für 9192631770 Schwingungen bei der Frequenz der Cäsium-133-Hyperfeinlinie bei 0 K benötigt wird. Es spielt also keine Rolle, dass jede dieser Schwingungen eine etwas andere Dauer hat. Sie zählen 9192631770 davon und haben eine offizielle SI-Sekunde. Das heißt, die Variation des Cs-133-Hyperfeinübergangs wird in die Definition der SI-Sekunde eingebacken.

Wir haben jetzt verschiedene Uhren, die präziser ticken als die Cäsiumuhr. Solche Uhren können verwendet werden, um eine Cäsiumuhr zu kalibrieren, aber um eine solche Uhr als primäre Zeitreferenz zu verwenden, muss sie das Verhalten der Cs-133 SI-Sekunde reproduzieren, Warzen und alles.

Hier ist eine Zusammenfassung der relativen Unsicherheit verschiedener Atomuhren von Wikipedia .

"Strahl" bezieht sich auf einen handelsüblichen Standard-Strahlmaser. "Fountain" ist ein Atombrunnen, dieser Wert ist für NIST-F2 . "Gitter" ist ein optisches Gitter. "Fermi-Gas" ist ein optisches 3D-Quantengasgitter.

NIST-F1 (auch ein Atombrunnen) hat eine Unsicherheit um 5e-16. Zusammen bilden NIST-F1 und NIST-F2 die primäre Zeit- und Frequenzreferenz für die USA.

FWIW, die SI-Sekunde, wurde in Bezug auf eine ganzzahlige Anzahl von Cs-133-Hyperfeinübergängen definiert, die ungefähr der aktuellen Definition der astronomischen Ephemeriden-Sekunde entsprachen . Die ursprüngliche Ephemeridensekunde wurde als 1/86400 eines mittleren Sonnentages definiert, aber aufgrund der Schwankungen in der Sonnentageslänge und der praktischen Schwierigkeiten bei der Messung wurde die Ephemeridensekunde in Bezug auf das mittlere tropische Jahr 1900 und neu definiert Vor der Einführung des Cs-133-Standards wurde die Ephemeridenzeit aus Beobachtungen des Mondes bestimmt.

Die in diesen Definitionen verwendete mittlere Sonnensekundenlänge wurde jedoch anhand von Daten berechnet, die von 1750 bis 1892 gesammelt wurden , und entspricht der mittleren Sonnensekunde aus der Mitte dieses Zeitraums, dh ~ 1820. Die tatsächliche mittlere Sonnensekunde ist jetzt etwas länger.

Steve Allen vom Lick Observatory hat viel mehr Informationen zu diesem Thema. Siehe Eine kurze Geschichte der Zeitskalen und andere Artikel auf seiner Seite über Schaltsekunden .