Um die Zeitgenauigkeit weiter zu verbessern, haben sich Forscher aus sechs europäischen Ländern zusammengetan, um zehn ultrapräzise optische Uhren gleichzeitig zu vergleichen – das wurde in einem solchen Ausmaß noch nie zuvor durchgeführt. Diese optischen Uhren verwenden Laserlicht, um die Übergänge von Atomen zwischen Energieniveaus viel genauer zu messen als herkömmliche Cäsium-Atomuhren. Tatsächlich können optische Uhren über Milliarden von Jahren hinweg nur um nicht mehr als eine Sekunde abweichen.
Um die Konsistenz zwischen diesen Uhren zu überprüfen, führte das Team 38 Messungen durch, ein sogenanntes Frequenzverhältnis. Vier der Messungen wurden noch nie direkt durchgeführt und viele sind präziser als je zuvor. Dieses Experiment hilft uns, der Aktualisierung der weltweiten Definition einer Sekunde näher zu kommen und möglicherweise von Cäsiumuhren auf optische Uhren umzusteigen.
Helen Margolis vom britischen National Physical Laboratory sagte: „Atomuhren liefern präzise Zeit- und Frequenzsignale, die für viele Alltagstechnologien wie GPS, Stromnetzmanagement und die Synchronisierung von Finanztransaktionen von entscheidender Bedeutung sind.“
Es ist schwierig, diese Uhren über große Entfernungen zu verbinden. Die Wissenschaftler verwendeten zwei Verbindungsmethoden: Satelliten-GPS-Signale und kundenspezifische Glasfaserkabel. Alle Uhren können GPS verwenden, die Genauigkeit ist jedoch aufgrund von Rauschen und Signalproblemen nicht optimal. In Frankreich, Deutschland und Italien verwendete Glasfaserverbindungen sind 100-mal präziser, können aber nur kurze Distanzen überbrücken. Bei Uhren im selben Labor, beispielsweise in Deutschland und Großbritannien, tragen kurze Glasfaserkabel dazu bei, die Unsicherheit weiter zu verringern.
Die Ergebnisse wurden in Optica veröffentlicht, einer Zeitschrift für optische Wissenschaft. Das Forschungsteam verglich auch Unterschiede in verschiedenen Frequenzverhältnissen in verschiedenen Systemen, um etwaige Nichtübereinstimmungen oder Muster zu finden.
„Diese Messungen liefern wichtige Informationen darüber, welche weiteren Arbeiten erforderlich sind, damit optische Uhren die Präzision und Zuverlässigkeit erreichen, die für die internationale Zeitmessung erforderlich sind“, sagte Marco Pizzocaro vom italienischen Nationalen Institut für Atomenergie (INRiM). Er fügte hinzu, dass das Gerät wie ein verteiltes Labor sei, das für tiefergehende physikalische Forschung genutzt werden könne, beispielsweise für die Suche nach Dunkler Materie oder die Prüfung der Grundlagen der Physik.
Es erforderte viel Vorbereitung, alle zehn Uhren zu koordinieren und in sechs Ländern synchron laufen zu lassen. Einige Ergebnisse stimmten nicht mit den Vorhersagen überein, aber die Tatsache, dass so viele Uhren gleichzeitig liefen, half, Probleme zu erkennen.
„Nicht alle Ergebnisse entsprachen unseren Erwartungen und wir stellten einige Inkonsistenzen bei unseren Messungen fest“, sagte Rachel Godun von NPL. „Der gleichzeitige Vergleich so vieler Uhren und die Verwendung mehrerer Techniken zur Korrelation der Uhren erleichtert jedoch die Identifizierung der Ursache des Problems.“
Die Forscher sagen, dass noch mehr Arbeit erforderlich ist, um Messunsicherheiten zu reduzieren und sicherzustellen, dass diese optischen Uhren langfristig zuverlässig sind. Wenn dies gelingt, könnten diese Uhren bald zu den Uhren werden, mit denen wir die Zeit auf der ganzen Welt definieren. Wie Thomas Lindvall von VTT MIKES in Finnland sagte: „Mit einem harmonisierten Satz an Messmethoden können wir sowohl die Konsistenz überprüfen als auch zuverlässigere Ergebnisse liefern.“
Quelle: Optica (Link 1, Link 2)