Sexl Physik 8, Schulbuch

13 | Diesen Effekt benützt man zur Konstruktion von Atomuhren. ( 12.3 ). Man rich- tet einen Radiosender auf einen Behälter mit Cäsiumatomen. Beträgt die Sende- frequenz genau 9 192 631 770 Hz , so werden die Atome zu Schwingungen ange- regt. Das Radiosignal kann nicht durch das Cäsiumgas hindurchtreten, da es seine Energie an die Atome abgibt. Bei einer geringfügigen Änderung der Sendefrequenz schwingen die Atome nicht mit, und das Radiosignal erreicht einen Empfänger, der hinter dem Gasbehälter angebracht ist. Die Sendefrequenz wird dann sofort korri- giert und dadurch sichergestellt, dass stets die korrekte Frequenz eingehalten wird. Die Ladungsschwingungen im Sender können nun als Uhr dienen. Um die Genauigkeit zu ermitteln, stellt man einige Atomuhren nebeneinander. Die Genauigkeit ist so groß, dass verschiedene Atomuhren in 2 Millionen Jahren weniger als eine Sekunde voneinander abweichen würden. Bei besonders genauen Atomuh- ren beträgt die Abweichung sogar weniger als eine Sekunde in 20 Millionen Jahren. Im Alltag richtet man sich nach der „Universal Time Coordinated“ UTC , die durch die Erddrehung festgelegt wird. Da sich die Erde nicht ganz regelmäßig dreht, wei- chen die Zeit der Atomuhren und UTC voneinander ab. Bei Bedarf werden „Schalt- sekunden“ eingeführt, um die auf Atomuhren beruhende Sekundendefinition an die Unregelmäßigkeiten der Erddrehung anzugleichen. Die UTC-Uhren stehen dann eine Sekunde lang still oder werden vorgestellt. Untersuche, überlege, forsche: Atomuhren 13.1 Wie funktionieren die neuesten Atomuhren, und welche Ganggenauigkeit erreichen sie? 1.4 Was bedeutet „gleichzeitig“? Wie kann man feststellen, ob zwei Ereignisse gleichzeitig stattgefunden haben? Man könnte meinen, dass diese Frage sehr leicht zu beantworten ist. Entweder sieht man es, vorausgesetzt die beiden Ereignisse finden in der Nähe statt, oder man braucht nur festzustellen, zu welchen Zeitpunkten die beiden Ereignisse statt- gefunden haben. Haben sie zum selben Zeitpunkt stattgefunden, dann waren sie eben gleichzeitig. Denkt man jedoch über die Frage eine Weile nach, dann merkt man, dass man es sich nicht so leicht machen darf. Im ersten Fall erreicht uns die Information, dass die Ereignisse stattgefunden haben, durch Lichtstrahlen. Da Lichtstrahlen aber nur eine endliche Geschwin- digkeit haben, müssen wir ihre Laufzeiten berücksichtigen. Findet ein Ereignis in einer größeren Entfernung von uns statt als das andere, dann brauchen die Licht- strahlen von dem weiter entfernten Ereignis länger zu uns. Wenn wir die beiden Ereignisse gleichzeitig sehen, dann hat das eine in Wirklichkeit früher stattgefun- den als das andere ( 13.2 ). Im zweiten Fall setzen wir stillschweigend voraus, dass Uhren an den beiden Or- ten, an denen die Ereignisse eintreten, dieselbe Zeit anzeigen, also synchron ge- hen. Wir müssen uns daher zuerst überlegen, wie man Uhren synchronisieren bzw. gleichzeitig starten kann. Zuerst müssen wir aber festlegen, was wir unter Gleichzeitigkeit verstehen wollen. Wegen der unterschiedlichen Laufzeiten von Signalen kann ein einzelner Beobachter nur Aussagen über Ereignisse machen, die in seiner unmittelbaren Umgebung stattfinden. Soll er Aussagen über weiter entfernte Ereignisse machen, so müssen wir weitere Vereinbarungen treffen. Wir definieren: Gleichzeitigkeit (1) Zwei Ereignisse an verschiedenen Orten in einem Inertialsystem sind gleichzeitig, wenn von ihnen ausgehende Lichtsignale einen in der Mitte befindlichen Beobachter gleichzeitig erreichen. Damit haben wir Aussagen über die Gleichzeitigkeit von entfernten Ereignissen auf Aussagen über das gleichzeitige Eintreffen von Lichtsignalen am Ort des Beob- achters zurückgeführt. 13.1 Die Atomuhrenhalle der Physikalisch-tech- nischen Bundesanstalt in Braunschweig. Die Cäsium-Fontänenuhr (rechts) hat eine Ungenauigkeit von nur einer Sekunde in 40 Millionen Jahren. A B C 13.2 Die Ereignisse A, B und C finden gleich- zeitig statt. Der Beobachter in der Mitte sieht aber nur A und B gleichzeitig, denn das Licht von C erreicht ihn erst später. 13.3 Zwei Uhren werden gleichzeitig von einer Blitzlampe gestartet, die in der Mitte gezündet wurde. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv