GPS und die Zukunft
GPS und die Zukunft
Essen und John V.L. Parry, aber diese Uhr benötigte einen ganzen Raum voller Geräte. Einem anderen ehemaligen Mitarbeiter von Rabi, Jerrold Zacharias vom MIT, gelang es, die Atomuhren in praktische Geräte umzusetzen. Zacharias hatte Pläne für den Bau einer so genannten Atomfontäne, einer visionären Art von Atomuhr, die genau genug sein sollte, um die von Einstein vorhergesagte Wirkung der Schwerkraft auf die Zeit zu untersuchen. Dabei entwickelte er eine Atomuhr, die klein genug war, um von einem Labor zum anderen gerollt zu werden. 1954 schloss sich Zacharias mit der National Company in Malden, Massachusetts, zusammen, um auf der Grundlage seines tragbaren Geräts eine kommerzielle Atomuhr zu entwickeln. Das Unternehmen produzierte die Atomichron, die erste kommerzielle Atomuhr, 2 Jahre später und verkaufte 50 Stück innerhalb von 4 Jahren. Die Cäsium-Atomuhren, die heute im GPS verwendet werden, sind alle Nachkommen der Atomichron.
Bis 1967 hatte sich die Forschung auf dem Gebiet der Atomuhren als so fruchtbar erwiesen, dass die Sekunde als atomarer Standard im Verhältnis zu den über 9 Milliarden Schwingungen eines Cäsiumatoms pro Sekunde neu definiert wurde. Heutige Atomuhren sind in der Regel auf 1 Sekunde in 100.000 Jahren genau.
Physiker haben weiterhin mit neuen Variationen der Atomresonanz-Ideen von Rabi und seinen Studenten experimentiert und sie in Atomuhren eingesetzt. Anstatt Magnete zu verwenden, nutzt eine Technik ein Phänomen, das als optisches Pumpen bekannt ist, um die Energieniveaus der Atome auszuwählen, die die Zeitmessung übernehmen sollen, und setzt einen Lichtstrahl ein, um alle Atome im Strahl in den gewünschten Zustand zu zwingen. Für diese Arbeit wurde Alfred Kastler von der École Normal Supérieure in Paris mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Heute verwenden viele Atomuhren optisch gepumpte Rubidiumatome anstelle von Cäsium. Die Rubidium-Uhren sind wesentlich preiswerter und kleiner als Cäsium-Uhren, aber sie sind nicht ganz so genau.
Eine andere Art von Atomuhr ist als Wasserstoffmaser bekannt. Der Ursprung der Maser liegt in der Erforschung der Struktur von Molekülen durch Charles Townes und seine Kollegen an der Columbia University im Jahr 1954. Für diese Arbeit erhielt Townes 1964 den Nobelpreis für Physik. Der Maser, der Vorläufer des Lasers, ist ein Mikrowellengerät, das sein Signal durch direkte Emission von Strahlung aus Atomen oder Molekülen erzeugt. Während der ursprüngliche Maser von Townes mit Ammoniak arbeitete, entwickelten Ramsey und seine Kollegen in Harvard 1960 einen Maser, der mit Wasserstoff funktioniert und als Atomuhr von höchster Präzision dient.
Bis 1967 hatte sich die Forschung im Bereich der Atomuhren als so fruchtbar erwiesen, dass die Sekunde in Form der Schwingungen eines Cäsiumatoms neu definiert wurde. Heutige Atomuhren sind in der Regel auf 1 Sekunde in 100.000 Jahren genau. Der wichtigste Zeitstandard unseres Landes ist die kürzlich eingeweihte Atomuhr des National Institute of Standards and Technology, kurz NIST.
Im Laufe der Jahre wurden alle drei Uhren – die Cäsium-Strahl-Uhr, die Wasserstoff-Maser-Uhr und die Rubidium-Uhr – im Weltraum eingesetzt, entweder in Satelliten oder in Kontrollsystemen am Boden. Die GPS-Satelliten basieren letztlich auf Cäsiumuhren, die denen ähneln, die Rabi vor 60 Jahren konzipiert hat.
1993, zwei Jahrzehnte nach seiner Entwicklung im Pentagon, wurde GPS mit dem Start des 24. Satelliten voll funktionsfähig. Die Satelliten werden von der US-Luftwaffe betrieben, die sie von fünf Bodenstationen auf der ganzen Welt aus überwacht. Die gesammelten Daten werden im Air Force Consolidated Space Operations Center in Colorado analysiert, das täglich Updates an die einzelnen Satelliten sendet und deren Uhren und Bahndaten korrigiert.
GPS und die Zukunft
Oft wird vergessen, dass GPS immer noch ein militärisches Gerät ist, das vom Verteidigungsministerium mit einem Kostenaufwand von 12 Milliarden Dollar gebaut wurde und in erster Linie für militärische Zwecke bestimmt ist. Diese Tatsache hat zu einer der wenigen Kontroversen um das bemerkenswert erfolgreiche System geführt. Wie bei jeder neuen Technologie birgt der Fortschritt auch Risiken, und GPS könnte potenziell zur Unterstützung von Schmugglern, Terroristen oder feindlichen Kräften eingesetzt werden. Das Pentagon machte das GPS-System erst für die kommerzielle Nutzung verfügbar, nachdem es von den Unternehmen, die die Geräte gebaut hatten und den enormen potenziellen Markt dafür sahen, unter Druck gesetzt worden war. Als Kompromiss führte das Pentagon jedoch die so genannte selektive Verfügbarkeit ein, bei der die genauesten von den GPS-Satelliten ausgestrahlten Signale ausschließlich dem Militär und anderen autorisierten Nutzern vorbehalten sind. GPS-Satelliten senden heute zwei Signale aus: ein ziviles Signal, das bis auf 100 Fuß genau ist, und ein zweites Signal, das nur das Militär entschlüsseln kann und das bis auf 60 Fuß genau ist.