Zeitmessung: Wem die Attosekunde schlägt
Falls Sie einmal in Japan einen zufällig vorbeigehenden Passanten nach der Uhrzeit fragen, könnten Sie Glück haben: Wenn Sie an Masao Takamoto geraten, weiß er die Antwort womöglich auf die Attosekunde genau.
© National Maritime Museum/Royal Observatory Greenwich (Ausschnitt)
Über die Relativität der Zeit soll Albert Einstein einmal gesagt haben: "Wenn man zwei Stunden mit einem netten Mädchen zusammensitzt, meint man, es wäre eine Minute. Sitzt man jedoch eine Minute auf einem heißen Ofen, meint man, es wären zwei Stunden."
Um sich von derart "gefühlten" Zeitbegriffen zu lösen, versuchen die Menschen schon seit Äonen, möglichst genau gehende Uhren zu konstruieren: angefangen bei Sonnenuhren, über Wasser- und Sanduhren, bis hin zu mechanischen Präzisionschronografen oder heute vielfach verwendeten Quarzuhren. Derzeit ist die Atomuhr das Nonplusultra.
Alle Zeitmesser funktionieren prinzipiell gleich und enthalten zwei wesentliche Komponenten: einen regelmäßigen Taktgeber, dessen Periode jeweils möglichst exakt reproduzierbar sein sollte, sowie ein Zählwerk, das angibt, wie oft der Rhythmus angeschlagen wurde. Bei der Sonnenuhr ist der Taktgeber beispielsweise die Erde, die sich um die Sonne dreht – auch wenn unsere Vorfahren da anderer Meinung waren und glaubten, das Zentralgestirn drehe sich um unseren Planeten.
Bei der Atomuhr messen Ingenieure die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung, die ein gebundenes Elektron beim Übergang von einem Energieniveau auf ein anderes abstrahlt oder aufnimmt. Besonders geeignet ist ein Hyperfeinstrukturübergang des natürlich vorkommenden Cäsiumatoms mit der Ordnungszahl 133. Dabei entsteht eine Mikrowellenstrahlung mit der Frequenz von etwa 9,2 Gigahertz. Das heißt, die abgestrahlte Welle ändert über neun Milliarden Mal pro Sekunde ihre Polarität.
Da Frequenzen mit zum genauesten gehören, was sich physikalisch messen lässt, nutzten die weltweiten Hüter der Maßeinheiten vom Système International d'Unités (SI) diese Schwingung zur Definition der Zeit. Exakt heißt es: "Die Sekunde ist das 9 192 631 770fache der Periodendauer, der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung." Diese lässt sich heute mit einer Exaktheit von eins zu 1015 bestimmen: Eine Atomuhr würde in 30 Millionen Jahren also um maximal eine Sekunde falsch gehen.
Diese Genauigkeit wollen Masao Takamoto und seine Kollegen von der Universität Tokio mit einer neuartigen Uhr nun um den Faktor 1000 noch verbessern. Statt Cäsium verwenden sie Strontium. Und statt der Mikrowellenstrahlung nutzen sie sichtbares Licht, das gut tausendmal so schnell schwingt.
Bislang war eine derartige optische Messung nicht zu bewerkstelligen. Zeitmesser befinden sich nämlich oft zwischen zwei Stühlen: Zwar ist mit einem gekühlten Ion, das in einer elektromagnetischen Falle gefangen ist, durch wiederholte Messung der Übergangsfrequenz eine äußerst genaue Frequenzbestimmung möglich. Um das Verfahren als Standard zu nutzen, sind jedoch alle eventuell vorhandenen Fehlerquellen des Systems zu beseitigen, was bei einem derart isolierten Teilchen kaum möglich und noch schwieriger nachweisbar ist – schließlich soll es ja als Referenz dienen und darf sich daher auf nichts anderes beziehen. Zudem sollte es tunlichst nicht verloren gehen.
Mehrere Ionen in einer Falle stören sich jedoch gegenseitig. Daher gab es ebenso viele Versuche mit neutralen Atomen. Doch führen unkontrollierbare Kollisionen auf Grund thermischer Bewegung gleichfalls zu deutlichen Störungen der Frequenzmessungen.
Takamoto und sein Team verbanden nun die Vorteile beider Ansätze. Mit Hilfe von Laserstrahlen erzeugten sie ein feinporiges optisches Gitter, das wie Milliarden kleiner Fallen wirkt und in dem sie gut zehntausend neutrale Strontium-Atome bei einer Temperatur von etwa zwei Millikelvin einfingen.
Doch bewirkt das eingestrahlte Laserlicht, welches das Gitter bildet, ebenfalls eine Verschiebung der Energieniveaus der Atome. Diese hängt bei gegebener Wellenlänge (und Polarisation) des Laserlichts von der Intensität des eingestrahlten Lichts ab, die sich jedoch nur sehr ungenau messen lässt. Diese Abhängigkeit verschwindet aber nahezu vollständig bei geeigneter Wahl der Wellenlänge des Laserlichts. Ein Effekt, den die Experimentatoren "light shift cancellation technique" nennen – was so viel heißt wie "Technik, der diesen Effekt verschwinden lässt".
Bei dieser so genannten "magischen" Wellenlänge des Laserlichts des optischen Gitters beträgt der Fehler für die Messung der Frequenz des Energieübergangs der Strontium-Atome weniger als ein tausendstel Hertz. Die Übergangsfrequenz hingegen beträgt immerhin über 429 Terahertz (429 Billionen Schwingungen pro Sekunde).
Damit lassen sich die Frequenzen also auf einen Faktor von etwa 10-18 präzise bestimmen, was einer Verbesserung der Genauigkeit um etwa den Faktor 1000 im Vergleich zu herkömmlichen Atomuhren entspricht.
Mit derart exakt gehenden Uhren ließen sich Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie sowie der Quantenelektrodynamik mit einer bislang nicht gekannten Präzision überprüfen sowie eventuelle zeitliche Variationen von Naturkonstanten wie der Feinstrukturkonstante nachweisen, von der ja schon häufig vermutet wurde, dass sie möglicherweise nicht wirklich unveränderlich sei.
Um sich von derart "gefühlten" Zeitbegriffen zu lösen, versuchen die Menschen schon seit Äonen, möglichst genau gehende Uhren zu konstruieren: angefangen bei Sonnenuhren, über Wasser- und Sanduhren, bis hin zu mechanischen Präzisionschronografen oder heute vielfach verwendeten Quarzuhren. Derzeit ist die Atomuhr das Nonplusultra.
Alle Zeitmesser funktionieren prinzipiell gleich und enthalten zwei wesentliche Komponenten: einen regelmäßigen Taktgeber, dessen Periode jeweils möglichst exakt reproduzierbar sein sollte, sowie ein Zählwerk, das angibt, wie oft der Rhythmus angeschlagen wurde. Bei der Sonnenuhr ist der Taktgeber beispielsweise die Erde, die sich um die Sonne dreht – auch wenn unsere Vorfahren da anderer Meinung waren und glaubten, das Zentralgestirn drehe sich um unseren Planeten.
Bei der Atomuhr messen Ingenieure die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung, die ein gebundenes Elektron beim Übergang von einem Energieniveau auf ein anderes abstrahlt oder aufnimmt. Besonders geeignet ist ein Hyperfeinstrukturübergang des natürlich vorkommenden Cäsiumatoms mit der Ordnungszahl 133. Dabei entsteht eine Mikrowellenstrahlung mit der Frequenz von etwa 9,2 Gigahertz. Das heißt, die abgestrahlte Welle ändert über neun Milliarden Mal pro Sekunde ihre Polarität.
Da Frequenzen mit zum genauesten gehören, was sich physikalisch messen lässt, nutzten die weltweiten Hüter der Maßeinheiten vom Système International d'Unités (SI) diese Schwingung zur Definition der Zeit. Exakt heißt es: "Die Sekunde ist das 9 192 631 770fache der Periodendauer, der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung." Diese lässt sich heute mit einer Exaktheit von eins zu 1015 bestimmen: Eine Atomuhr würde in 30 Millionen Jahren also um maximal eine Sekunde falsch gehen.
Diese Genauigkeit wollen Masao Takamoto und seine Kollegen von der Universität Tokio mit einer neuartigen Uhr nun um den Faktor 1000 noch verbessern. Statt Cäsium verwenden sie Strontium. Und statt der Mikrowellenstrahlung nutzen sie sichtbares Licht, das gut tausendmal so schnell schwingt.
Bislang war eine derartige optische Messung nicht zu bewerkstelligen. Zeitmesser befinden sich nämlich oft zwischen zwei Stühlen: Zwar ist mit einem gekühlten Ion, das in einer elektromagnetischen Falle gefangen ist, durch wiederholte Messung der Übergangsfrequenz eine äußerst genaue Frequenzbestimmung möglich. Um das Verfahren als Standard zu nutzen, sind jedoch alle eventuell vorhandenen Fehlerquellen des Systems zu beseitigen, was bei einem derart isolierten Teilchen kaum möglich und noch schwieriger nachweisbar ist – schließlich soll es ja als Referenz dienen und darf sich daher auf nichts anderes beziehen. Zudem sollte es tunlichst nicht verloren gehen.
Mehrere Ionen in einer Falle stören sich jedoch gegenseitig. Daher gab es ebenso viele Versuche mit neutralen Atomen. Doch führen unkontrollierbare Kollisionen auf Grund thermischer Bewegung gleichfalls zu deutlichen Störungen der Frequenzmessungen.
Takamoto und sein Team verbanden nun die Vorteile beider Ansätze. Mit Hilfe von Laserstrahlen erzeugten sie ein feinporiges optisches Gitter, das wie Milliarden kleiner Fallen wirkt und in dem sie gut zehntausend neutrale Strontium-Atome bei einer Temperatur von etwa zwei Millikelvin einfingen.
Doch bewirkt das eingestrahlte Laserlicht, welches das Gitter bildet, ebenfalls eine Verschiebung der Energieniveaus der Atome. Diese hängt bei gegebener Wellenlänge (und Polarisation) des Laserlichts von der Intensität des eingestrahlten Lichts ab, die sich jedoch nur sehr ungenau messen lässt. Diese Abhängigkeit verschwindet aber nahezu vollständig bei geeigneter Wahl der Wellenlänge des Laserlichts. Ein Effekt, den die Experimentatoren "light shift cancellation technique" nennen – was so viel heißt wie "Technik, der diesen Effekt verschwinden lässt".
Bei dieser so genannten "magischen" Wellenlänge des Laserlichts des optischen Gitters beträgt der Fehler für die Messung der Frequenz des Energieübergangs der Strontium-Atome weniger als ein tausendstel Hertz. Die Übergangsfrequenz hingegen beträgt immerhin über 429 Terahertz (429 Billionen Schwingungen pro Sekunde).
Damit lassen sich die Frequenzen also auf einen Faktor von etwa 10-18 präzise bestimmen, was einer Verbesserung der Genauigkeit um etwa den Faktor 1000 im Vergleich zu herkömmlichen Atomuhren entspricht.
Mit derart exakt gehenden Uhren ließen sich Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie sowie der Quantenelektrodynamik mit einer bislang nicht gekannten Präzision überprüfen sowie eventuelle zeitliche Variationen von Naturkonstanten wie der Feinstrukturkonstante nachweisen, von der ja schon häufig vermutet wurde, dass sie möglicherweise nicht wirklich unveränderlich sei.
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