Die Schwerkraft ist die wichtigste Kraft im Universum. Sie ist es, die die Planeten im Orbit um die Sonne hält. Es hält auch den Mond in der Umlaufbahn um die Erde und erschafft Sterne und Planeten, indem es das Material anzieht, aus dem sie bestehen. Besonders interessant ist jedoch die Fähigkeit der Schwerkraft, Licht anzuziehen. Dieses Prinzip wurde von Albert Einstein entdeckt, der die Schwerkraft als eine Kurve im Raum beschrieb – sie verläuft um ein Objekt, wie einen Stern oder Planeten. Und wenn sich ein anderes Objekt in der Nähe befindet, wird es ebenfalls in die Kurve eingezeichnet. Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) bewegt sich die Zeit in der Nähe massiver Objekte langsamer, da ihre Gravitationskraft die Raumzeit krümmt, die untrennbar miteinander verbunden sind. Das bedeutet, dass große Massen mit ihrem enormen Gravitationseinfluss das Gewebe der Raumzeit verzerren. Kürzlich wurde ein interessanter Artikel in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Seine Autoren behaupten, dass Atomuhren, die nur wenige Zentimeter voneinander entfernt sind, unterschiedliche Zeitgeschwindigkeiten messen – genau wie Einstein vorhergesagt hat.
Atomuhren zeigen, wie das Universum funktioniert
Newtons universelles Gravitationsgesetz, das von ihm 1687 formuliert wurde, war das erste Werk, das die fundamentalen Kräfte der Physik vereinte.
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Wie funktioniert das Universum?
- Elektromagnetismus (die physikalische Wechselwirkung, die zwischen elektrisch geladenen Teilchen auftritt);
- Schwache Kernkraft (physikalische Wechselwirkung des Zerfalls von Atomkernen);
- Starke Kernwechselwirkung (physikalische Wechselwirkung, an der Quarks und Gluonen teilnehmen, sowie aus ihnen zusammengesetzte Teilchen – Hadronen);
- Schwerkraft(Universelle fundamentale Wechselwirkung zwischen materiellen Körpern, die Masse haben. Gleichzeitig ist die Schwerkraft die schwächste aller existierenden Kräfte).
Zunächst einmal basiert die moderne Physik auf vier grundlegenden Naturkräften:
Trotz der Tatsache, dass die Schwerkraft die schwächste der vier Kräfte ist, bestimmt sie die Funktionsweise des Universums im großen Maßstab, auf der Ebene der Planeten und Galaxien. Aus diesem Grund mag die Schwerkraft wie eine universelle Kraft erscheinen, aber in Wirklichkeit ist sie es nicht.
Die Schwerkraft beeinflusst das Gefüge der Raumzeit.
Gemäß der von Einstein 1916 formulierten Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Schwerkraft keine Eigenschaft einzelner Körper, sondern des Universums als Ganzes.
Es stellt sich heraus, dass die Allgemeine Relativitätstheorie die Schwerkraft nicht nur beschreibt als Kraft, sondern als Geometrie. Die Schwerkraft ist laut Einstein eine Folge dessen, wie Materie die Raumzeit verzerrt. Der berühmte Physiker vermutete auch die Existenz von Gravitationswellen, weil massive Objekte die Raumzeit nicht nur verzerren, sondern auch Wellen in ihr erzeugen. Dies geschieht, wenn zwei Objekte wie Schwarze Löcher miteinander kollidieren.
Die Entdeckung der Schwerkraft fand 2016 statt. Mein Kollege Artem Sutyagin hat ausführlicher über diesen wissenschaftlichen Durchbruch gesprochen, ich empfehle ihn zu lesen.
Schwerkraft und Zeitdilatation
Und doch sind die Prinzipien der Relativitätstheorie nicht mit der Quantenmechanik vereinbar, die das Universum auf der Ebene der Wechselwirkung von Elementarteilchen betrachtet. Die Unvereinbarkeit dieser Theorien ist eines der wichtigsten Probleme der modernen Wissenschaft. Obwohl die Physiker noch ein kleines Schlupfloch haben.
Um der Entstehung der Theory of Everything näher zu kommen und die Struktur des Universums zu verstehen, entschieden sich die Forscher, der Gravitationszeitdilatation Aufmerksamkeit zu schenken. Dieses erstaunliche Phänomen widerspricht auch nicht den Postulaten der Quantenmechanik – die Zeit unter dem Einfluss starker Schwerkraft ändert wirklich ihren Lauf im Gravitationspotential
Die Atomuhr ist derzeit das genaueste Werkzeug zur Zeitmessung.
Zuvor wurde dies durch die Messung der Zeitdilatation zweier Atomuhren nachgewiesen, die in einem Abstand von nur 33 cm übereinander angeordnet waren und bereits in einem so geringen Abstand merkliche Änderungen der Schwerkraft feststellen konnten. Das Vorhandensein von zwei separaten Atomuhren, die sich nahe beieinander befinden, ist jedoch physikalisch unmöglich. Aus diesem Grund mussten die Autoren der Studie eigens für das Experiment eine neue Uhr entwickeln. Aber was sind das für Geräte?
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Atomuhren: Wie finde ich die genaue Uhrzeit heraus?
Die Atomuhr ist das genaueste Instrument zur Zeitmessung. Diese Geräte bestehen aus mehreren Teilen, und ihre Elektronik ist für die Stabilität und Genauigkeit des Mechanismus verantwortlich. Trotz der Tatsache, dass Atomuhren komplex sind, können sie in jedem Land der Welt hergestellt und verwendet werden. An sich sind diese Geräte nicht schwer und klein (und die Definition des zweiten basiert auf den Schwingungen des Cäsiumatoms).
In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler die Größe reduziert von Atomuhren. Möglich wurde dies durch den Ersatz von Federn und Zahnrädern durch einen speziellen Mechanismus, der es ermöglichte, die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung von Cäsiumatomen zu bestimmen, indem man Partikel einem Laserstrahl aussetzte.
Neue Atomuhren hinken alle 300 Milliarden Jahre nur eine Sekunde hinterher
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Schließlich verwandelten Physiker die Atomuhr in einen Satz von 15 unabhängigen Messinstrumenten, die sechs Mikrometer voneinander entfernt sind. Mit Hilfe des neuen Geräts konnten die Forscher die Bewegung von Partikeln und «Schicht» Messen Sie die Oszillationsfrequenz einer Wolke aus mehreren hunderttausend Strontium-87-Atomen, die in einer speziellen Lichtfalle eingeschlossen sind.
Das wichtigste und aufregendste Ergebnis unserer Arbeit ist das Potenzial verbinden die Quantenphysik mit der Gravitation, weil Teilchen in der gekrümmten Raumzeit an verschiedenen Orten verteilt sind“, erklärt einer der Autoren der neuen Studie, Ye Jun vom US National Institute of Standards and Technology.
Beim Vergleich der gewonnenen Daten kamen die Autoren der Arbeit zu dem Schluss, dass die gravitative Zeitdilatation auf Mikroobjekte angewendet werden kann, die den Gesetzen der Quantenmechanik gehorchen. Die Ergebnisse des Experiments zeigten auch, dass der Entwicklung einer neuen Uhr, die 50-mal genauer arbeitet als alle heute erhältlichen Geräte, nichts im Wege steht.
Um die gravitative Zeitdilatation zu messen, ist eine ultrapräzise Uhr erforderlich.
Interessante Tatsache
Im Mai 2021 erstellten Astronomen die umfassendste Karte der Dunklen Materie im Universum, die enthüllte, dass die Schwerkraft in kosmischen Hohlräumen nicht der Relativitätstheorie gehorcht.
Also basierend auf einer der Schlussfolgerungen von Einsteins General Relativitätstheorie (Zeit in Gegenwart von Gravitationsfeldern unterschiedlicher Stärke und bei Bewegung mit hoher Geschwindigkeit fließt ungleichmäßig) Physiker konnten schließlich die Existenz der gravitativen Zeitdilatation nachweisen. Es stellte sich heraus, dass es sich nicht in kleinen Skalen manifestierte, aber es hatte einen Einfluss auf den Lauf der Uhr in voller Übereinstimmung mit den Vorhersagen der Relativitätstheorie.
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Etwas Neues
Aber dieses unglaubliche Ergebnis ist nur der Anfang. In Zukunft wollen Physiker die Genauigkeit von Messungen verbessern, indem sie mithilfe von Atomuhren beobachten, wie sich die Schwerkraft auf den Betrieb komplexer Quantensysteme auswirkt. Somit wird die modernisierte Atomuhr es ermöglichen, in zukünftigen Studien genauere Daten zu erhalten.
Es stellt sich heraus, dass unglaublich interessante Entdeckungen auf uns warten. Es gibt sicherlich viel Arbeit für Wissenschaftler, aber mit Glück, Entschlossenheit und konstanter Finanzierung könnte eine verbesserte Atomuhr den Weg zur Lösung eines der größten Rätsel der Physik ebnen und schließlich die Theory of Everything schaffen.
Neue ultrapräzise Atomuhren können Gravitationswellen “fühlen”
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Interessant ist auch, dass mit Atomuhren nicht nur die Grenzen der bekannten Teilchenphysik verschoben werden können. Ihre Hilfe wird auch Astrophysikern bei ihrer Suche nach der mysteriösen dunklen Energie nützlich sein, deren Masse die Masse gewöhnlicher Materie im Universum übersteigt (im Verhältnis 5 zu 1).
Aufgrund der Genauigkeit von Messungen können Atomuhren bei der Kartierung der inneren Struktur der Erde helfen, indem sie die Schwerkraft mit unglaublicher Genauigkeit messen. Darüber hinaus sind Atomuhren der Schlüssel zur Entwicklung von Werkzeugen zum Studium der Geheimnisse der Physik.
Laut der Allgemeinen Relativitätstheorie sollten Atomuhren in verschiedenen Höhen in einem Gravitationsfeld unterschiedlich schnell ticken. < /p>
Außerdem können Atomuhren sowohl als Mikroskope dienen, mit denen Sie die kleinsten Verbindungen zwischen Quantenmechanik und Schwerkraft sehen können, als auch als Teleskope, die geschaffen wurden, um die entlegensten Winkel des Universums zu beobachten.
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