Sexl Physik 8, Schulbuch

Diesen Effekt benützt man zur Konstruktion von Atomuhren. (  11.3 ). Man richtet einen Radiosender auf einen Behälter mit Cäsiumatomen. Wenn die Sendefrequenz genau 9192 631770Hz beträgt, werden die Atome zu Schwingungen angeregt. Das Radiosignal kann nicht durch das Cäsiumgas hindurchtreten, da es seine Energie an die Atome abgibt. Bei einer geringfügigen Änderung der Sendefrequenz schwin- gen die Atome nicht mit, und das Radiosignal erreicht einen Empfänger, der hinter dem Gasbehälter angebracht ist. Die Sendefrequenz wird dann sofort korrigiert 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 weni- ger als eine Sekunde voneinander abweichen würden. Bei besonders genauen Atomuhren beträgt die Abweichung weniger als eine Sekunde in 10 Milliarden Jahren, das ist etwa das Alter des Universums! 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 12.1 W 1  Wie funktionieren die neuesten Atomuhren? Welche Ganggenauigkeit errei- chen 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 ha- ben, durch Lichtstrahlen. Da Lichtstrahlen aber nur eine endliche Geschwindigkeit haben, müssen wir ihre Laufzeiten berücksichtigen. Findet ein Ereignis in einer größeren Entfernung von uns statt als das andere, dann brauchen die Lichtstrah- len von dem weiter entfernten Ereignis länger zu uns. Wenn wir die beiden Ereig- nisse gleichzeitig sehen, dann hat das eine in Wirklichkeit früher stattgefunden als das andere (  12.2 ). 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 Beobach- ter 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. 12.1 Die Atomuhrenhalle der Physikalisch-technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Die Cäsium-Atomuhr (rechts) hat eine Ungenauigkeit von nur einer Sekunde in 40 Millionen Jahren. A B C 12.2 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. 12.3 Zwei Uhren werden gleichzeitig von einer Blitzlampe gestartet, die in ihrer Mitte gezündet wurde.  12 Relativitätstheorie Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv