Verwenden Sie GPS? Sag "Danke" zu Norman Ramsey (1915-2011) - Die Wissenschaften - 2020

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Anonim

Norman F. Ramsey ist vielleicht kein bekannter Name, aber er war ein Riese der experimentellen Physik des 20. Jahrhunderts. Seine Grundlagenforschung brachte ihm 1989 den Nobelpreis für Physik ein und legte den Grundstein für Technologien, die heute von Millionen Menschen genutzt werden. Er starb letzten Freitag im Alter von 96 Jahren.

Bei der Untersuchung, wie Atome und Moleküle Licht in Magnetfeldern absorbieren und emittieren, ebnete Ramsey den Weg für Untersuchungen der Kernspinresonanz, der Grundlage von MRI-Geräten. Seine Untersuchungen führten auch zur Entwicklung von Atomuhren. In seinem Artikel vom Juli 1993 in Ramsey und Co-Autor Wayne Itano sprachen über die Notwendigkeit einer immer genaueren Zeitnahme:

Nur wenige Leute beklagen sich über die Genauigkeit moderner Uhren, auch wenn sie scheinbar schneller laufen, als es die unter uns gehetzten wollen. Die gängigen und preiswerten Quarzkristalluhren verlieren oder verlieren etwa eine Sekunde pro Woche und sind damit für den Alltag mehr als ausreichend. Selbst eine Uhr mit Frühlingsaufzug kann uns rechtzeitig zur Kirche bringen. Strengere Anwendungen, wie etwa die Kommunikation mit interplanetaren Raumfahrzeugen oder die Verfolgung von Schiffen und Flugzeugen von Satelliten, sind auf Atomuhren angewiesen, die innerhalb einer Million Jahre nur eine Sekunde verlieren.

Es scheint nicht viel Spielraum für die Verbesserung der Uhren zu geben, oder es besteht sogar kein Bedarf für genauere Uhren.Viele Anwendungen in Wissenschaft und Technik verlangen jedoch alle Präzision, die die besten Uhren aufbringen können, und manchmal auch mehr. Beispielsweise können einige Pulsare (Sterne, die elektromagnetische Strahlung in periodischen Stößen emittieren) in gewisser Hinsicht stabiler sein als aktuelle Uhren. Solche Objekte sind möglicherweise nicht genau zeitlich festgelegt. Akribische Relativitätstests und andere grundlegende Konzepte erfordern möglicherweise noch genauere Uhren. Solche Uhren werden wahrscheinlich verfügbar sein. Neue Technologien, die auf das Einfangen und Kühlen von Atomen und Ionen angewiesen sind, bieten allen Grund zu der Annahme, dass Uhren 1.000-mal genauer sein können als bestehende. Wenn die Geschichte ein Leitfaden ist, können diese zukünftigen Uhren zeigen, dass das, was als konstant und unveränderlich betrachtet wird, auf feineren Skalen dynamisch und sich verändernd sein kann. Die Sonnenuhren, Wasseruhren und Pendeluhren der Vergangenheit waren zum Beispiel ausreichend genau, um den Tag in Stunden, Minuten und Sekunden zu unterteilen, aber sie konnten die Schwankungen der Erdrotation und der Umdrehung nicht erkennen.

Eine Schlüsselanwendung für Atomuhren ist das Globale Positionierungssystem, das auf genaue Timing- und Frequenzsignale zwischen den Satelliten angewiesen ist, damit sie wissen, wo sie sich befinden - und Ihnen damit sagen, wo Sie sich befinden.

Ramsey ist am besten für die Schaffung der Wasserstoff-Maser-Uhr bekannt, die er in seinem Artikel beschrieben hat (und auf diese Weise veranschaulicht wurde):

Bei diesem Instrument spaltet eine Hochfrequenzentladung zuerst in einer Hochdruckflasche gehaltene Wasserstoffmoleküle in ihre Atome auf. Die Atome treten aus einer kleinen Öffnung in der Flasche hervor und bilden einen Strahl. Diejenigen mit dem höheren Energieniveau werden durch Magnetfelder fokussiert und treten in einen speziell beschichteten Speicherkolben ein, der von einem abgestimmten Resonanzhohlraum umgeben ist. In der Birne fallen einige dieser Atome auf ein niedrigeres Energieniveau, wodurch Photonen mit Mikrowellenfrequenz freigesetzt werden. Die Photonen regen andere Atome an, auf ein niedrigeres Energieniveau zu fallen, wodurch wiederum zusätzliche Mikrowellenphotonen freigesetzt werden. Auf diese Weise baut sich in der Lampe ein sich selbst erhaltendes Mikrowellenfeld auf - daher der Name "Maser". Der abgestimmte Hohlraum um die Glühbirne hilft, die Photonen wieder in das System umzuleiten, um den stimulierten Emissionsprozess aufrechtzuerhalten.

Die Maser-Schwingung bleibt bestehen, solange der Wasserstoff in das System eingespeist wird. Eine Drahtschleife im Hohlraum kann die Schwingung erkennen. Das Mikrowellenfeld induziert einen Strom in dem Draht, der aus dem Hohlraum zu einer Reihe von Schaltungen führt. Die Schaltungen wandeln den induzierten Strom in ein niederfrequentes Signal um, das zur Erzeugung von Taktimpulsen geeignet ist.

Der vollständige Artikel mit dem Titel "Genaue Zeitmessung" beschreibt andere Arten von Atomuhren und deren Vor- und Nachteile.

Sie können eine persönliche Erinnerung von Wissenschaftler und Autor Boulent Atalay auf der News-Watch-Seite von National Geographic nachlesen.

Bild von Norman Ramsey aus seiner Ankündigung des Nobelpreises.

Die geäußerten Ansichten sind die des Autors und sind nicht notwendigerweise die.