Kernuhr - die genaueste Uhr der Welt!

Aktuell sind Atomuhren die genauesten der Welt, das könnte sich bald ändern. Wir haben mit Prof. Thorsten Schumm der TU Wien gesprochen. Er möchte die erste Kernuhr der Welt bauen und zwar mit dem Isotop Thorium-229. Und das obwohl es das eigentlich gar nicht mehr auf der Erde gibt. Wie er trotzdem daran gekommen ist und wie hochpräzise Uhren unsere Navigationssysteme auf den Zentimeter genau machen könnten, schauen wir uns heute an.

Dieses Video ist in meinem Breaking Lab-Team entstanden. Verantwortlich aus der Redaktion: Marie Valitutto, Johannes Polotzek, Jacob Beautemps; Editing: Saskia Mittermeier, Jessica Hawich, Julia Hansjürgen

Quellen:

Ich bin Jacob Beautemps und mache gerade meinen Doktor an der Universität zu Köln. Vor drei Jahren habe ich zusammen mit Philip Häusser diesen YouTube Kanal gegründet und seit 2018 stehe ich nun selbst vor der Kamera. In meiner Forschung an der Uni geht es um das Thema "What comprises a successful educational YouTube video?: the optimization of YouTube videos’ educational value through the analysis of viewer behavior and development via machine learning." Oder kurzgesagt: Wie lernt man auf YouTube und wie können wir das mit künstlicher Intelligenz optimieren. Dies fließt natürlich stark in meine YouTube Videos mit ein, denn hier geht es auch darum möglichst viel über Physik, Chemie, Technik und andere naturwissenschaftliche Themen zu lernen.

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[von_rabenfels]

Egal wie genau die Uhren auch werden ... ich werde trotzdem nicht pünktlich aus dem Bett kommen >.<

[systemofapwne]

Als jemand, der auf dem Gebiet von (optischen) Atomuhren promoviert hat, muss ich sagen: Du hast dieses komplexe Thema schön und allgemeinverständlich zusammen gefasst. Respekt. Ich muss aber sagen, dass ich den Enthusiasmus von Prof. Schumm für eine fertige "Kernuhren in ein paar Jahren" nicht teile. Seit einigen Jahrzehnten wird bereits an optischen Uhren (dazu zählen auch die Thorium Kernuhren) gearbeitet. Ab Beginn des 21 Jhd brach mit der Entwicklung des Frequenzkammgenerators als Zählwerk eine regelrechte Revolution an (Nobelpreis 2005). Momentan sind Ionen-Uhren (Yb+, Hg+, ...) sowie Neutralatomuhren (Sr, Yb, ... ) sehr weit erforscht und zeigen Instabilitäten und Ungenauigkeiten auf bis zu 19 Nachkommastellen. Während Thorium gerade bei den Ungenauigkeiten unbestreitbar fundamentale Vorteile hat (geringe Sensitivität des Kerns auf elektrische und magnetische externe Felder) bleibt nachwievor die Instabilität solcher (optischer) Uhren durch die Abfragelaser/Uhrenlaser limitiert - Und das wird für Uhren auf Basis von Th-229 nicht anders sein. Ferner sollte man den nötigen Forschungs- und Entwicklungsaufwand bei Th-229 nicht unterschätzen: Meines Wissens nach (Stand 2020) stochert man bei der Bestimmung der Frequenz des Kernübergangs noch im dunkeln. Und aus eigener Erfahrung weiß ich, dass von der ersten Anregung eines noch unbekannten Übergangs bis zur seiner vollständigen systematischen Charakterisierung viele Jahre vergehen. Nichtsdestotrotz sehe ich positiv in die Zukunft und wünsche den an Th-229 forschenden Teams viel Erfolg! Ich bin gespannt auf die Entwicklung in den nächsten Jahren und Jahrzehnten.

[averageperson]

Zeit ist wirklich ein zeitloses Thema! Toll, dass du immer wieder Zeit für solche Videos findest! Werd ich mir bei bei Zeiten sicher nochmal ansehen.

[hoga]

Sehr interessanter Beitrag! Hoffe nicht...dass sich mein Chef so eine Uhr anschafft...sonst muss ich jeden Tag viele Nanosekunden nacharbeiten...

[simonrapka]

Ich möchte mich bedanken, daß du das Format, so gestaltet, das es auch ich es verstehe. Danke und mach weiter so

[meinname]

Super verständlich erklärt, gutes Thema :) Sehr sympathischer Typ

[NachoMan]

1:15 Punkt zwei stimmt nicht. Die Zeit vergeht langsamer je stärker man beschleunigt wird(ob durch ein Raumschiffantrieb oder ein Gravitationsfeld ist dabei egal).

[Mombey]

Ja jetzt weiß ich warum ich meistens zu spät zur Arbeit komme

[ismirdochegal]

Ich zittiere eine betrunkene Beverly Crusher* aus Star Trek: der erste Kontakt: "Wir haben keine Zeit um über die Zeit zu diskutieren. Dafür fehlt uns einfach die Zeit!"

*Edit: es war natürlich Counselor Deanna Troi.

[Heistergand]

Also ich verstehe das immer nicht, wie man das einfach so hinnehmen kann, dass Zeit variabel sein soll. Dass die Uhren bei weniger Gravitation schneller laufen, beweist doch nur, dass die Gravitation einen signifikanten Einfluss auf den Mechanismus (der Uhr, des Systems, der Atome, der Teilchen...) hat. Wenn wir Zeit über die Bewegung der Teilchen definieren, dann kann ich nicht sagen, "da unten ist die Zeit langsam, hier oben schneller", denn eine Geschwindigkeit leitet sich von der Zeit selbst ab, somit ist es paradox. Aber was, wenn nicht die Teilchenbewegung die Zeit definiert? Dann wäre die Konsequenz "nur", dass die Gravitation die Bewegung der Teilchen bremst, was mich jetzt irgendwie nicht überraschen würde. Zeit zu verstehen, ist letztendlich doch immer wieder der Versuch, die vierte Wand zu durchbrechen (Filmjargon). Ich halte Zeit tatsächlich für absolut und das, was in den Berechnungen als sozusagen "variable Zeit" überall gut rein passt, ist dann eben die durch die Geschwindigkeit von Teilchen definierte Zeit. Jetzt kommen wir zu dem Problem, dass man etwas nicht ohne eine Skala messen kann, man benötigt also immer irgendeinen Vergleich. Da wir nur die schneller Uhr mit der langsameren Uhr vergleichen können, sind wir im Grunde aufgeschmissen und weil es sich so schön rechnen lässt, definieren wir kurzerhand die Zeit nach Teilchenbewegungen. Damit kommen wir automatisch zur Raumkrümmung. Gravitation bewirkt eine Beschleunigung. Der Erdboden beschleunigt uns entgegen, sodass wir permanent daran gehindert werden, unseren eigentlich fallenden Zustand beizubehalten. Zieht man mir den Boden unter den Füßen weg, falle ich. Nicht weil man mir Energie zufügt, sondern, weil meine Masse ihren Zustand nicht ändern möchte. Rein rechnerisch fallen wir also der Zeit entgegen... oder irgendwie so. Ich hab schon wieder einen Knoten im Kopf...

[Handelsbilanzdefizit]

Als man sich Spektrallinien noch genauer angeschaut hatte, wurde die Feinstruktur entdeckt.
Ebenso könnten noch präzisere Uhren feststellen, ob es minimale Abweichungen von Einsteins Zeitdilatation gibt. Also, eine Unterstruktur die noch unbekannt ist.
Ich würde vermuten, dass die ART nur in sehr groben Maßstäben gilt. Die Messinstrumente sind nicht fein genug, um Abweichungen festzustellen.

[lphaetaamma]

ich glaube die unangeregten Atome haben die gleiche Flugbahn durch die Atom-/Kernuhr, aber haben insofern einen anderen Zustand, dass sie in der Apparatur nicht so mit den Feldern wechselwirken, dass ihre Existenz die Mesung beeinflusst

[prthumn]

7:30 - aaah, da rollen sich mir die Zehennägel hoch. Wasserstoff und Helium sowie in geringen Mengen Lithium und Beryllium, mehr ist da nicht beim Urknall entstanden ;)

[Brumbrumauto]

Hey man, Du hast eine total sympathische Ausstrahlung und Erklär-Art einfach natürlich, liebenswert, geduldig und intelligent alles zugleich! :) Hab dich gern abboniert!

[LeonSchreiter]

Aber woher weiß man das die Uhr um so viel Sekunden falsch geht im Jahr ? Und woher weis man das es gerade wirklich die exakte Uhrzeit ist. Wurde die einfach so entschieden und von da aus einfach die Atomuhr gestartet?

[TWskill]

warum wurde bei 08:25 in einem frame mit "Quelle: Prof. Dr. Schumm" eingefügt .... übersehen?

[DeroTK]

In der Schule hat mich Physik absolut 0 Interessiert jetzt schau ich mir solche Videos sehr gern an, mein Desinteresse muss wohl echt an der äußerst unsympathischen Lehrerin gelegen haben

[hansroemer]

wieso steht bei 8:25 Quelle: Prof Dr Schumm? @BreakingLab?

[driver_]

Warum blendest du deine Quelle bei 8:25 nur so kurz ein?

[ryko]

Jetzt könnte man spekulieren, wäre eine Quarks-Uhr möglich? Oder verhindert die Heisenbergsche Unschärferelation solch eine Uhr?