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September 1993: Ultragenaue Zeitmessung

Seit Jahrtausenden versucht der Mensch sein kostbarstes Gut – die Zeit – immer exakter zu quantifizieren. Künftige Präzisionsuhren werden bessere Navigationssysteme und raffinierte Tests der Relativitätstheorie ermöglichen.
Zeichnung einer Hand, die eine Taschenuhr zum Betrachter hält

Selten beschwert sich jemand über die Genauigkeit moderner Uhren – obwohl sie oft schneller zu laufen scheinen, als manchem, der es ohnehin immer eilig hat, lieb ist. Billige Quarzuhren gehen nur um etwa eine Sekunde pro Woche falsch, und das stört im Alltag überhaupt nicht; selbst mit einer mechanischen Armbanduhr muß man keinen Termin versäumen. Für höhere Ansprüche – etwa beim Datenaustausch mit Raumsonden oder der satellitengestützten Ortung von Schiffen und Flugzeugen – braucht man freilich Atomuhren, die in einer Million Jahre höchstens um eine Sekunde vor- oder nachgehen.

Auf den ersten Blick scheint es für noch genauere Zeitmessung weder technischen Spielraum noch überhaupt einen Bedarf zu geben. Doch bei vielen wissenschaftlich-technischen Anwendungen stößt man bereits an die Grenzen heutiger Apparate. Zum Beispiel sind einige Pulsare (Sterne, die regelmäßig kurze Schübe elektromagnetischer Strahlung aussenden) genauer als alle verfügbaren Uhren, und darum läßt sich ihre Periode nicht exakt bestimmen. Für die Überprüfung relativistischer Effekte und fundamentaler Naturkonstanten sind sogar noch zuverlässigere Geräte erforderlich.

Tatsächlich wird man mit neuen Verfahren, die auf dem Einfangen und Abkühlen einzelner Atome oder Ionen beruhen, höchstwahrscheinlich die Zeit bald tausendmal genauer als heute messen können. Schon oft haben sich scheinbar unveränderliche Vorgänge bei näherer Betrachtung als wandelbar erwiesen. Mit Sonnen-, Wasser- und Pendeluhren konnte man zwar den Tag genau genug in Stunden, Minuten und Sekunden einteilen, doch die feinen Abweichungen der Rotation und der Umlaufbahn der Erde ließen sich damit nicht entdecken.

Die Präzision einer Uhr hängt von der Regelmäßigkeit einer periodischen Bewegung ab, etwa der Schwingung eines Pendels. Dabei ist der Pendelarm mit der sogenannten Hemmung gekoppelt, die dafür sorgt, dass ein Zahnrad sich immer nur in eine Richtung weiterdreht; diese Bewegung wird dann über weitere Zahnräder auf die Zeiger übertragen. Bei der Suche nach besseren Uhren geht es meist darum, Systeme mit möglichst stabilen Schwingungen zu finden.

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Die drei wichtigsten Kriterien für eine Standardfrequenz sind Stabilität, Reproduzierbarkeit und Genauigkeit. Die Stabilität ist ein Maß für die Unveränderlichkeit der Frequenz und hängt von der Beobachtungsdauer ab; die Abweichung einer bestimmten Standardfrequenz mag in einer Sekunde nur 1 zu 100 Milliarden betragen, doch innerhalb eines Jahres kann sie durchaus auf 1 zu 10 Milliarden anwachsen. Die Reproduzierbarkeit gibt an, wie gut die Meßwerte bei mehreren Instrumenten gleicher Bauweise übereinstimmen. Die Genauigkeit ist ein Maß dafür, bis zu welchem Grad eine bestimmte Uhr ein definiertes Zeitintervall (beispielsweise eine Sekunde) wiederzugeben vermag.

Pendel- und Federuhren

Noch zu Beginn dieses Jahrhunderts waren Pendeluhren am genauesten. Schon der italienische Naturforscher Galileo Galilei (1564 bis 1642) hatte festgestellt, dass die Schwingungsperiode des Pendels (bei nicht zu großer Auslenkung) praktisch unabhängig von der Amplitude ist. Eine komplette Schwingung dauert also – unabhängig von der Weite des einzelnen Pendelschlags – immer gleich lange. Doch erst 1657 erfand der holländische Physiker Christian Huygens (1629 bis 1695) eine Hemmung, die das Pendel durch allmähliches Abrollen eines Gewichts immer wieder anstößt, und somit die Pendeluhr. Spätere Chronometer nutzten die Schwingung einer federgetriebenen Unruhe; sie ließen sich deshalb in die Tasche stecken oder am Handgelenk tragen.

Mit großem Aufwand suchte man die bewährten Pendel- und Unruhe-Mechanismen mehr und mehr zu verbessern. Störende Temperatureffekte wurden ausgeglichen, indem man Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten kombinierte. Eine radikalere Idee verwirklichte der britische Ingenieur William H. Shortt 1920 mit zwei synchronisierten Pendeln: Das Führungspendel schwingt dabei frei in einem Unterdruckgefäß, ohne ein Uhrwerk antreiben zu müssen; es aktiviert nur einen elektrischen Schalter, der die Schwingung des abhängigen Pendels steuert. Darum ist die Periode der Shortt-Uhr extrem stabil – mit einem Fehler von wenigen Sekunden pro Jahr (etwa 1 zu 10 Millionen) setzte sie sich in vielen Labors als Normaluhr durch.

Einen Qualitätssprung bedeutete die Entwicklung elektronischer Quarzkristall-Oszillatoren. Ihre Frequenz hängt von der Periode der elastischen Schwingung eines sorgfältig ausgeschnittenen Quarzkristalls ab. Die Schwingung wird elektronisch mit Hilfe des piezoelektrischen Effekts aufrechterhalten: Druck oder Zug erzeugen im Kristall eine kleine elektrische Spannung, und umgekehrt verformt ihn eine von außen angelegte elektrische Spannung geringfügig.

Die Schwingungsfrequenz hängt von Form und Größe des Kristalls ab. In manchen Armbanduhren ist der Quarz wie eine millimetergroße Stimmgabel zugeschnitten, manchmal auch als flache Scheibe. Er steht über einen elektrischen Schaltkreis unter Wechselstrom und stellt dessen Frequenz mittels elektrischer Rückkopplung auf die natürliche Schwingungsfrequenz von Quarz (normalerweise bei 32768 Hertz) ein. Der Wechselstrom fließt außerdem über einen digitalen Frequenzteiler, der für eine bestimmte Anzahl von Eingangsimpulsen einen einzelnen Ausgangsimpuls erzeugt und damit die mechanische oder elektronische Ziffern-Anzeige betreibt.

Quarzuhren

Ende der zwanziger Jahre bauten Joseph W. Horton und Warren A. Marrison an den Bell-Laboratorien in Murray Hill (New Jersey) die erste Quarzuhr, und in den vierziger Jahren verdrängten solche Geräte die Shortt-Pendeluhren als Laborstandard. Sie waren stabil bis auf etwa 0,1 Millisekunden pro Tag (1 zu 1 Milliarde). Da sie relativ billig sind, werden sie weiterhin im Labor am häufigsten benutzt.

Bei handelsüblichen Armbanduhren handelt es sich heutzutage meist um vereinfachte und verkleinerte Versionen der Quarz-Frequenzstandards. Seit man Quarzkristalle zuverlässig in dünne, stimmgabelförmige Scheiben zu schneiden und winzige elektronische Bauteile mit geringem Stromverbrauch herzustellen vermag, beherrschen Quarz-Armbanduhren den Markt.

Doch für viele wissenschaftliche Zwecke – beispielsweise zur Überprüfung der Relativitätstheorie – sind selbst Quarzuhren zu ungenau. Albert Einsteins Theorie zufolge verformt die Gravitation Raum und Zeit, und weil die Schwerkraft mit wachsender Entfernung abnimmt, vergeht die Zeit zum Beispiel hoch über der Erde rascher als auf dem Boden. Doch dieser Unterschied ist minimal: Auf dem Gipfel des Mount Everest gehen Uhren etwa 30 millionstel Sekunden pro Jahr schneller als auf Meereshöhe. Dieser Unterschied läßt sich nur mit Atomfrequenz-Normaluhren nachweisen.

Die quantisierten Energieniveaus von Atomen und Molekülen bilden die physikalische Grundlage für solche Atomfrequenz-Standards. Nach den Gesetzen der Quantenmechanik haben die Energien eines gebundenen Systems – etwa eines Atoms – bestimmte diskrete Werte. Ein elektromagnetisches Feld vermag ein Atom zum Übergang auf ein höheres Energieniveau anzuregen, und umgekehrt kann ein angeregtes Atom unter Emission elektromagnetischer Energie in einen niedrigeren Zustand übergehen.

Bei einer ganz bestimmten Frequenz wird ein Maximum an Energie ausgesandt oder absorbiert. Diese Resonanzfrequenz entspricht der Differenz zwischen den Energieniveaus geteilt durch das Plancksche Wirkungsquantum. Da sie außerordentlich stabil ist, eignet sie sich hervorragend als Zeitstandard. Indem man die Frequenz beobachtet, bei der Atome elektromagnetische Energie aussenden oder absorbieren, verwendet man das Atom gewissermaßen als Normalpendel, dessen Oszillationen als Maß für die verstrichene Zeit dienen.

Atomuhren

Zwar haben wir damit das quantenphysikalische Prinzip von Atomuhren beschrieben, doch die tatsächlich genutzten Effekte sind etwas komplizierter. In den meisten Atomuhren stammt die ausgetauschte Energie von Übergängen zwischen sogenannten Hyperfeinniveaus, die durch das magnetische Moment der Elementarteilchen erzeugt werden. Die Elektronen und die meisten Atomkerne haben einen Spin – das heißt anschaulich gesprochen, sie drehen sich wie Kreisel um ihre eigene Achse – und ein magnetisches Moment entlang der Drehachse; dadurch verhalten diese Teilchen sich wie magnetische Kompaßnadeln. Die Hyperfeinstruktur kommt dadurch zustande, dass die Drehachsen der Teilchen zueinander verschieden ausgerichtet sein können und dabei unterschiedliche Energien aufweisen (von Hyperfeinstruktur spricht man, weil diese Energieniveaus zunächst als feine Aufspaltung einzelner Spektrallinien entdeckt wurden).

Theoretisch liefern atomare Prozesse ideale Zeitstandards, doch der Teufel steckt wie stets im Detail. Die Atome absorbieren oder emittieren Energie nicht exakt bei der Resonanzfrequenz, sondern mit einer gewissen Frequenz-Unschärfe. Unter sonst gleichen Bedingungen ist die Genauigkeit, mit der die Resonanzfrequenz sich messen läßt, diesem Unschärfe-Intervall umgekehrt proportional. Ein Maß dafür ist der Qualitätsfaktor Q, definiert als die Resonanzfrequenz geteilt durch die Frequenz-Unschärfe. In der Regel nimmt Q demnach mit höherer Resonanzfrequenz zu. Zudem ist die Unschärfe umgekehrt proportional zur Verweildauer des Atoms im Meßgerät; das heißt, der Qualitätsfaktor der Resonanzfrequenz – und somit die Genauigkeit – steigt mit der Dauer der Messung.

Auch die Bewegungen der Atome erzeugen durch scheinbare Verschiebungen der Resonanzfrequenz zusätzliche Unschärfe. Die Ursache ist der nach dem österreichischen Physiker Christian Doppler (1803 bis 1853) benannte Doppler-Effekt. Bei Atomen, die sich weit unterhalb der Lichtgeschwindigkeit bewegen, lassen sich Effekte erster und zweiter Ordnung unterscheiden.

Die Doppler-Verschiebung erster Ordnung ist proportional zur Geschwindigkeit des Atoms. Bewegt es sich in der Ausbreitungsrichtung des elektromagnetischen Feldes, nimmt es eine niedrigere Frequenz wahr; bewegt es sich der Welle entgegen, verschiebt sich die Frequenz scheinbar nach oben. Wenn Atom und Welle sich senkrecht zueinander bewegen, verschwindet der Doppler-Effekt erster Ordnung.

Die Doppler-Verschiebung zweiter Ordnung ist eine Folge der Zeitdilatation. Der Relativitätstheorie zufolge verstreicht die Zeit für bewegte Objekte langsamer; ein Atom in Bewegung nimmt darum eine etwas andere Frequenz wahr als ein Atom in Ruhe. Dieser Effekt ist in der Regel viel geringer als die Verschiebung erster Ordnung; er ist proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit und unabhängig von der Bewegungsrichtung des Atoms relativ zur elektromagnetischen Welle.

Es gibt aber noch weitere Störfaktoren. So wird das Signal zusätzlich verrauscht, weil die Atome miteinander kollidieren. Auch die Umgebung beeinflußt die Resonanzfrequenzen. Defekte der elektronischen Ausrüstung, elektromagnetische Streufelder und die allgegenwärtige Wärmestrahlung sind Fehlerquellen. Ein guter atomarer Frequenzstandard muß nicht nur ein stabiles periodisches Signal liefern, sondern zudem diese Fehler möglichst gering halten.

Atomstrahlresonanz

Eine der ersten und heute gebräuchlichsten Alternativen ist die Atomstrahlresonanz-Methode, die Isidor Isaac Rabi an der Columbia-Universität New York in den dreißiger Jahren entwickelt hat. Atome verlassen eine kleine Kammer durch eine enge Blende und bilden einen Strahl. Das gesamte Gerät läßt sich gegen elektromagnetische Streufelder abschirmen und gegen äußere Wärmequellen isolieren. Vor allem sind atomare Kollisionen praktisch ausgeschlossen, da der ganze Apparat in einer langen Vakuumkammer untergebracht ist: Darin herrscht so geringer Druck, dass die Atome mit großer Wahrscheinlichkeit ohne Zusammenstoß das andere Ende der Röhre erreichen. Im Prinzip zerfällt das Atomstrahlresonanz-Verfahren in drei Schritte. Zunächst zwingt ein speziell geformtes Magnetfeld den Atomstrahl auf eine gekrümmte Bahn und filtert die Atome im gewünschten Energiezustand heraus: Nur diese werden just so abgelenkt, dass sie die Öffnung eines Hohlraums treffen. Der zweite und entscheidende Schritt versetzt die ausgewählten Atome in einen anderen Energiezustand, indem sie im Hohlraum ein Mikrowellenfeld passieren. Nur wenn dessen Frequenz mit der Resonanzfrequenz der Atome übereinstimmt, gehen sie in ein anderes Energieniveau über. Der dritte Schritt sucht nun genau diese Atome heraus. Man führt den Strahl durch einen zweiten Magnetfilter, der nur die Atome mit passendem Energieniveau auf einen Detektor lenkt, wo sie als Strompulse nachgewiesen werden. Wenn die Mikrowellenfrequenz genau mit der Resonanzfrequenz der Atome übereinstimmt, erreichen besonders viele Atome den Detektor, andernfalls weniger. Ein elektronischer Rückkopplungsmechanismus sorgt nun automatisch für exakte Abstimmung: Wenn der vom Detektor erzeugte Strom abnimmt, wird die Frequenz des Mikrowellenfeldes variiert, bis das Detektor-Signal wieder sein Maximum erreicht. Auf diese Weise stellt sich die Frequenz der eingestrahlten Mikrowellen immer auf die Resonanzfrequenz der Atome ein. Zur Zeitmessung koppelt man das eingestrahlte Feld mit einem Frequenzteiler, der Meßpulse erzeugt. Dabei entsprechen die Atome dem Kristall einer Quarzuhr oder dem Führungspendel einer Shortt-Uhr; das Mikrowellenfeld übernimmt dabei die Funktion des Schwingkreises beziehungsweise des abhängigen Pendels, die das Uhrwerk antreiben. Bei einigen Versionen des Atomstrahlfrequenz-Standards lenkt man gerade die Atome mit verändertem Energiezustand nicht auf den Detektor, sondern an ihm vorbei; registriert werden die unveränderten. An der Genauigkeit ändert sich dabei nicht viel. All diese Varianten sind unterschiedliche Kompromisse zwischen Größe, Kosten und Kompliziertheit der Apparatur. Eine wichtigere Abwandlung des Atomstrahlresonanz-Verfahrens hat einer von uns (Ramsey) 1949 mit der Methode der separierten Schwingungsfelder entwickelt. Dabei wird der Atomstrahl nicht nur einem einzigen Feld ausgesetzt, sondern passiert nacheinander zwei separate Felder. Das hat viele Vorteile; unter anderem wird die Resonanz schärfer, und man vermeidet die Doppler-Verschiebung erster Ordnung. Aus diesem Verfahren haben Jerrold R. Zacharias vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge sowie Louis Essen und John V.L. Parry vom britischen Nationalen Physik-Laboratorium in Teddington (England) Mitte der fünfziger Jahre brauchbare Frequenzstandards entwickelt. Uhren mit separierten Schwingungsfeldern bieten optimale Reproduzierbarkeit. Die besten stehen in einigen Nationallaboratorien, doch kleinere und weniger genaue kann man kaufen. Diese Geräte arbeiten mit Cäsium; seine Vorteile gegenüber anderen Elementen sind eine verhältnismäßig hohe Resonanzfrequenz – bei 9192 Megahertz – mit geringer Resonanzbreite und somit ein hervorragender Qualitätsfaktor Q. Außerdem läßt Cäsium sich leicht und wirksam nachweisen. Man braucht als Detektor bloß einen heißen Metalldraht: Das auftreffende Cäsium-Atom wird ionisiert und erzeugt einen elektrischen Strom. Die Q-Werte liegen bei 100 Millionen und sind damit mehrere tausendmal höher als die von Quarz-Armbanduhren. Die Reproduzierbarkeit der besten Cäsium-Standards ist mit ungefähr 1 zu 1014 erheblich besser als die Gleichmäßigkeit der Erdrotation und des Erdumlaufs. Darum hat man im Jahre 1967 eine Sekunde als 9192631770 Perioden der Resonanzfrequenz des Cäsium-133-Atoms definiert.

Optisches Pumpen

Eine besonders interessante Verbesserung des Cäsium-Frequenzstandards ist die Trennung der Atomzustände durch optisches Pumpen. Seit den fünfziger Jahren haben unter anderem Francis Bitter vom MIT sowie Alfred Kastler und Jean Brossel von der École Normale Supérieure in Paris solche Verfahren entwickelt. Dabei tritt für die Auswahl der gewünschten Atomzustände Licht an die Stelle des Magnetfelds. Bevor man die Atome dem Mikrowellenfeld aussetzt, werden sie mit Laserlicht gepumpt, das heißt in einen anderen Energiezustand versetzt. Durch Abstimmen der Lichtfrequenz kann man sogar die Zahl der gepumpten Atome steuern. Nach Bestrahlung mit dem Mikrowellenfeld passieren sie einen zweiten Lichtstrahl. Dieses Licht absorbieren nur die Atome im richtigen Energiezustand und geben es sofort wieder ab. Ein Photodetektor registriert diese Emissionen und verwandelt sie in meßbaren Strom. Wie bei der Atomstrahlresonanz mit Magnetfiltern gilt auch hier, dass das eingestrahlte Mikrowellenfeld genau dann auf die Resonanzfrequenz der Atome abgestimmt ist, wenn der vom Detektor erzeugte Strom sein Maximum erreicht. Licht hat gegenüber Magnetfeldern zahlreiche Vorteile. Vor allem lassen sich mit der optischen Pumptechnik im Prinzip alle Atome des Strahls in den gewünschten Energiezustand überführen, während das Magnetverfahren nur die anderen Energieniveaus wegfiltert. Darum ist die Signalstärke beim optischen Pumpen viel größer. In mehreren Labors entwickelt man solche Geräte; die optisch gepumpte Cäsium-Atomstrahluhr NIST-7 am Nationalen Institut für Standards und Technologie (NIST) in Boulder (Colorado) dient seit kurzem als Frequenzstandard für die USA. Ihre Abweichung wird auf eine Sekunde in einer Million Jahre geschätzt; damit ist sie erheblich stabiler als ihre Vorgängerin. Auf dem Markt ist eine optisch gepumpte Atomuhr, die mit der Hyperfeinresonanz von Rubidium-87 bei 6835 Megahertz arbeitet. Die Rubidium-Atome bewegen sich nicht als Strahl durch das Gerät, sondern sind von einem Glasgefäß umschlossen, in dem ein Gasgemisch verhindert, dass sie an die Wände stoßen. Bestrahlt werden die Atome nicht mit einem Laser, sondern mit einer Rubidium-Dampfentladungslampe. Eine Photozelle auf der anderen Seite des Gefäßes entdeckt Veränderungen der von den Atomen absorbierten Lichtmenge. Somit werden in einem einzigen Gefäß die Atome präpariert, Mikrowellen eingestrahlt und das Licht gemessen. Rubidium-Uhren passen darum in einen Würfel mit nur zehn Zentimetern Seitenlänge. Hingegen sind Cäsium-Atomstrahluhren einen halben bis mehr als fünf Meter lang. Außerdem sind Rubidium-Uhren viel billiger. Der Nachteil ist freilich, dass Rubidium-Uhren in der Regel ungenauer und ihre Meßwerte schlechter reproduzierbar sind. Der Qualitätsfaktor ist mit 10 Millionen rund zehnmal kleiner als beim Cäsium-Standard; die Reproduzierbarkeit liegt nur bei 1 zu 1010, was vor allem auf Verschiebungen der Resonanzfrequenz beruht, die von häufigen Kollisionen der Rubidium-Atome mit anderen Gasmolekülen herrühren. Doch dafür ist die Stabilität von Rubidium-Geräten über kurze Zeitspannen sogar besser als die einiger Cäsium-Atomstrahluhren. Die bisher beschriebenen Atomuhren arbeiten eher indirekt: Sie messen zum Beispiel die Anzahl der auf einen Detektor fallenden Atome und erkennen an der Änderung dieses Signals, dass die Frequenz des eingestrahlten Schwingungsfelds sich verschoben hat. Direkter läßt sich die von den Atomen emittierte Strahlung mit einem Maser nutzen (Maser ist die analog zu Laser gebildete Abkürzung für microwave amplification by stimulated emission of radiation, Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission). Im Jahre 1953 erfand Charles H. Townes an der Columbia-Universität den ersten Maser, der mit Ammoniak arbeitete. Von 1960 an entwickelten Ramsey, Daniel Kleppner (heute am MIT tätig), H. Mark Goldenberg von der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) und Robert F.C. Vessot (nun am dortigen Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik) den Maser mit atomarem Wasserstoff; dieser Typ dient seither häufig als Atomuhr. Dabei werden zunächst Wasserstoffmoleküle in einem Hochdruckgefäß durch Radiofrequenz-Entladung in einzelne Atome zerlegt, die das Gefäß durch eine kleine Öffnung als Strahl verlassen. Magnetfelder fokussieren die Atome im höheren Energiezustand und lenken sie in einen Hohlraumresonator, ein speziell beschichtetes Speichergefäß, das von einem Resonanzhohlraum umgeben ist. Dort gehen einige Atome in einen niedrigeren Energiezustand über und emittieren dabei Photonen mit Mikrowellenfrequenz. Diese stimulieren weitere Atome zum Rückfall in eine tieferes Niveau, wobei noch mehr Mikrowellen-Photonen abgestrahlt werden. Auf diese Weise baut sich im Gefäß ein selbsterhaltendes Mikrowellenfeld auf – daher die Bezeichnung Maser. Der Resonanzhohlraum um das Gefäß lenkt die Photonen in das System zurück und unterstützt damit die stimulierte Emission. Die Maserschwingung bleibt stabil, solange das System weiter mit Wasserstoffatomen versorgt wird. Zum Nachweis der Maser-Oszillation dient eine Drahtschleife im Hohlraum. Das Mikrowellenfeld erzeugt im Draht einen Strom, der zu einer Serie von Schaltkreisen außerhalb des Hohlraums geleitet wird. Sie verwandeln den Strom in ein niederfrequentes Signal, das Impulse für die Zeitmessung liefert. Die Resonanzfrequenz des Wasserstoff-Masers ist mit 1420 Megahertz viel niedriger als bei Cäsium. Doch dafür ist die Resonanz des Masers wesentlich schärfer, weil die Wasserstoffatome sich im Hohlraum viel länger aufhalten als das Cäsium im Atomstrahl. Darum liegt der Qualitätsfaktor bei 109 – zehnmal so hoch wie jener der Cäsium-Atomuhr. Zudem ist die Stabilität des Wasserstoff-Masers mit mehr als 1 zu 1015 unübertroffen. Leider fällt diese exzellente Leistung binnen weniger Tage unter die von Cäsium-Strahlen. Durch Änderungen in der Hohlraum-Resonanzfrequenz nimmt die Stabilität ab, und Zusammenstöße zwischen Atomen und Gefäßwand verschieben die Frequenz um rund 1 zu 1011. Ein Ausweg ist Tiefkühlung. Damit lassen sich mehr Atome speichern (wodurch das Signal verstärkt wird) und das elektronische Rauschen mindern. Zudem ist superfluides Helium eine günstige Beschichtung für die Gefäßinnenwand. Auch wirksamere Magnete, bessere Beschichtungsmaterialien sowie Feedback-Techniken zur Resonanzabstimmung verbessern die Stabilität des Masers.

Ionenfallen

Obwohl die Cäsium-Atomuhr derzeit der über längere Zeitspannen genaueste Frequenzstandard ist, zeichnen sich bereits Möglichkeiten ab, noch präzisere Uhren zu bauen. Eine besonders aussichtsreiche Technik beruht auf der Resonanzfrequenz eingefangener Ionen (elektrisch geladener Atome). Sie lassen sich in einem Vakuum schwebend fixieren und sind dann gegen störende Einflüsse fast perfekt abgeschirmt. Da sie zudem einander wegen ihrer gleichnamigen elektrischen Ladung meiden, kollidieren sie weder mit anderen Teilchen noch mit den Wänden der Kammer. Auf diese Weise kann man Ionen manchmal tagelang einsperren. Es gibt zwei Arten von Ionenfallen. In der Penning-Falle, deren Prinzip der holländische Physiker Frans Michel Penning 1936 entwickelt hat, halten statische Felder – inhomogene elektrische und ein homogenes magnetisches – die Ionen fest. Bei der Paul-Falle, für deren Entwicklung der deutsche Physiker Wolfgang Paul zusammen mit Hans G. Dehmelt 1989 den Nobelpreis erhielt, leistet dies ein oszillierendes inhomogenes elektrisches Feld. Beide Typen haben ihre Nachteile (siehe Spektrum der Wissenschaft, März 1990, Seite 100). So können die starken Magnetfelder der Penning-Fallen die Resonanzfrequenz verändern. In Paul-Fallen rufen die elektrischen Felder Erwärmung und somit Doppler-Verschiebungen hervor. Man wählt darum je nach Verwendungszweck die eine oder die andere Falle. Unter anderem bei der Firma Hewlett-Packard und am Jet Propulsion Laboratory in Pasadena (Kalifornien) hat man inzwischen experimentelle Normaluhren aus Paul-Fallen konstruiert. Verwendet wurden Quecksilber-199-Ionen, weil sie von allen geeigneten Atomen die höchste Hyperfeinfrequenz (40,5 Gigahertz) haben. Zunächst werden mehrere Millionen Ionen zwischen den von Elektroden erzeugten elektrischen Feldern eingefangen und mit der Ultraviolettstrahlung einer Lampe optisch gepumpt. Danach ähnelt die Prozedur der bei optisch gepumpten Normaluhren. Der Qualitätsfaktor solcher Ionenfallen kann bis 1012 steigen und übertrifft darin heutige Cäsium-Strahluhren um das 10000fache. Zudem ist die Stabilität über kurze Zeitspannen außerordentlich groß – allerdings noch nicht so gut wie die von Wasserstoff-Masern. Die Doppler-Verschiebung zweiter Ordnung begrenzt die Reproduzierbarkeit auf etwa 1 zu 1013. Die Doppler-Verschiebungen lassen sich durch Laser-Kühlung sehr verringern. Im Jahre 1975 haben David J. Wineland (heute am NIST tätig), Hans G. Dehmelt von der Universität von Washington in Seattle, Theodor W. Hänsch (gegenwärtig an der Universität München) und Arthur L. Schawlow von der Stanford-Universität (Kalifornien) diese Technik erstmals vorgeschlagen. Im Prinzip dient ein Laserstrahl dazu, die Geschwindigkeit der Ionen zu reduzieren, indem Teilchen, die sich dem Laserstrahl entgegenbewegen, einen kleinen Teil des Impulses der Laser-Photonen absorbieren und dadurch langsamer werden. Um die Doppler-Verschiebung auszugleichen, die bei der Bewegung der Ionen gegen den Laser entsteht, stellt man die Laserfrequenz etwas unterhalb eines bevorzugten Resonanzübergangs ein (Spektrum der Wissenschaft, Mai 1987, Seite 64). Viele Labors entwickeln derzeit Frequenzstandards mit laser-gekühlten Ionen – beispielsweise Beryllium-9-Ionen in einer Penning-Falle. Die Reproduzierbarkeit der Meßwerte dieses Geräts liegt bei 1 zu 1013; sie ist begrenzt durch Kollisionen der Ionen mit neutralen Molekülen. Doch mit verbessertem Vakuum dürfte sie sich noch erheblich steigern lassen, denn die von der Doppler-Verschiebung zweiter Ordnung verursachte Unschärfe macht nur 5 zu 1015 aus.

Atomfallen

Auch beim Einfangen und Kühlen neutraler Atome hat man in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, obwohl es viel schwieriger ist als bei Ionen. Besonders wirkungsvoll ist die Kühlung mit drei Paaren entgegengesetzt gerichteter Laserstrahlen, die zueinander senkrecht stehen. Dieser sogenannte optische Sirup bremst ein Atom in jeder Bewegungsrichtung ab. An dieser Entwicklung waren unter anderem William D. Phillips vom NIST in Gaithersburg (Maryland), Claude Cohen-Tannoudji und Jean Dalibard von der École Normale Supérieure sowie Steven Chu von der Stanford-Universität beteiligt (siehe »Einschluß neutraler Teilchen mit Laserstrahlen« von Steven Chu, Spektrum der Wissenschaft, April 1992, Seite 68). In solchen Atomfallen lassen sich die Teilchen viel dichter packen, da die gegenseitige Abstoßung von Ionen entfällt. Dadurch wird das Signal gegenüber dem Hintergrundrauschen verstärkt. Das Hauptproblem ist freilich, dass die Laser-Felder die Resonanzfrequenz der eingefangenen Atome stark beeinflussen. Dagegen hilft ein sogenannter atomarer Springbrunnen: Die eingefangenen und gekühlten Atome werden aufwärts aus dem Kreuzungsbereich der Laserstrahlen herausgestoßen und fallen unter dem Einfluß der Schwerkraft wieder zurück. Beim Auf- und Abstieg passieren sie ein Schwingungsfeld; auf diese Weise werden – ähnlich wie beim Prinzip der separierten Schwingungsfelder – Resonanzübergänge angeregt. Wegen der längeren Pause zwischen den beiden Durchgängen kann der Qualitätsfaktor solcher Geräte höher sein als bei Atomstrahl-Uhren. Mit atomaren Springbrunnen haben Chu, André Clairon am Hauptlabor für Zeit und Frequenz in Paris sowie Christophe Salomon an der École Normale Supérieure experimentiert. (Diese Forschungskonzentration in der französischen Hauptstadt hat einen Grund darin, dass dort der Sitz des Internationalen Büros für die Zeit ist.) Gegenwärtig konzentriert sich die Forschung auf laser-gekühlte Ionen in Fallen mit optischen Resonanzfrequenzen, das heißt mit solchen von vielen tausend Gigahertz. Der Qualitätsfaktor derartiger Instrumente ist enorm hoch: Am NIST hat man bei der Ultraviolett-Resonanz eines einzelnen laser-gekühlten Ions einen Q-Wert von 1013 beobachtet. Das übertrifft alle bisherigen Werte für atomare Resonanzen im optischen oder im Mikrowellenbereich. Allerdings war wegen technischer Schwierigkeiten bislang kein optischer Frequenzstandard über längere Zeitspannen in Betrieb. Angesichts dieser Vielfalt hochpräziser Frequenzstandards scheint für noch genauere Geräte kein Bedarf zu sein. Schließlich sind die bereits verfügbaren Atomuhren schon so exakt, dass man damit einige Grundeinheiten neu definiert hat. Wie erwähnt wird eine Sekunde heute durch die Resonanzfrequenz des Cäsiumatoms definiert; als ein Meter gilt nach internationaler Übereinkunft die Strecke, die das Licht in einer 299792458stel Sekunde zurücklegt. Ein Volt wird durch die charakteristische Frequenz festgelegt, die zusammen mit einer bestimmten Spannung am Josephson-Kontakt eines supraleitenden Schaltkreises auftritt.

Anwendungen in der Astronomie

Doch es gibt Anwendungen, bei denen selbst moderne Uhren an ihre Grenzen stoßen. Ein Beispiel ist die Radioastronomie. Mit mehreren zusammengeschalteten Teleskopen, die tausende Kilometer voneinander entfernt stehen, lassen sich enorme Auflösungen erzielen (siehe »Radioteleskope im weltweiten Verbund« von Anthony C.S. Readhead, Spektrum der Wissenschaft, August 1982, Seite 24). Die effektive Winkelauflösung von zwei gekoppelten Radioteleskopen im Abstand von 10000 Kilometern ist mehr als eine Million mal so groß wie die des einzelnen Instruments. Doch um die Daten richtig zu kombinieren, muß man exakt wissen, wann jedes Gerät ein bestimmtes Signal empfangen hat. Die heutigen Wasserstoff-Maser haben zwar die dafür nötige Frequenz-Stabilität, doch im Weltraum stationierte Radioteleskope brauchen vermutlich noch stabilere Uhren.

Noch höhere Anforderungen stellen die empfindlichsten Tests der Relativitätstheorie. Zeitmessungen an Millisekunden-Pulsaren, deren Frequenz so stabil sein kann wie die der genauesten Atomuhren, liefern Indizien für Gravitationswellen. Im Jahre 1978 fand Joseph H. Taylor jr. an der Princeton-Universität (US-Bundesstaat New Jersey), dass sich die Periode eines Pulsar-Doppelsternsystems allmählich verändert – und zwar genau um den Betrag, den die allgemeine Relativitätstheorie wegen des Energieverlusts durch Gravitationsstrahlung voraussagt. Präziser ließe sich das erst feststellen, wenn man viele Jahre lang messen könnte; dafür braucht man Uhren mit besserer Langzeit-Stabilität.

In einem anderen Experiment zur Relativitätstheorie haben Vessot und seine Mitarbeiter bestätigt, dass Uhren in großer Höhe über der Erde schneller gehen. Sie schossen einen Wasserstoff-Maser in einer Rakete 10000 Kilometer hoch und maßen die kleine relativistische Verschiebung der Uhrfrequenz mit einer Genauigkeit von 0,007 Prozent. Und Irwin I. Shapiro (jetzt am Harvard-Smithsonian-Zentrum für Astrophysik tätig) benutzte hochstabile Uhren, um die relativistische Verzögerung von Lichtsignalen nachzuweisen, die knapp an der Sonne vorbeikommen.

Die koordinierte Weltzeit

In diesem Artikel geht es um die Messung von Zeitintervallen. Um etwa Stunde, Minute und Sekunde zu bestimmen, ist nur eine gute Uhr erforderlich. Doch um angeben zu können, dass ein Ereignis zu einem bestimmten Zeitpunkt – etwa am 5. Juli 1993 um 22 Sekunden nach 12.31 Uhr – stattgefunden hat, braucht man eine allgemein anerkannte Normalzeit. Die internationle Standartuhr existiert allerdings nur auf dem Papier – als Mittelwert der weltweit besten Uhren. Verantwortlich für die Koordination ist das Internationale Büro für Maße und Gewichte im Pariser Vorort Sevres. Diese Bezugszeit heißt Internationale Atomzeit (Temps atomique Interntional, TAI)

Zahlreiche Anwendungen erfordern außerdem eine Zeitskala, die auf die Rotation der Erde abgestimmt ist: Im Jahresmittel soll die Sonne exact um 12.00 Uhr mittags am Null-Meridian in Greenwich bei London im Zenit stehen. Der durch die scheinbare Position der Sonne definierte Tag ist unterschiedlich lang, doch in der Regel etwas länger als die von der TAI definierten 24 Stunden. Zum Ausgleich wird eine zweite Zeitskala – die koordinierte Weltzeit (Universal Time Coordinated, UTC) – eingeführt, indem man gelegentlich eine ganzzahlige Menge von Schaltsekunden zur TAI hinzufügt oder von ihr abzieht. Dies geschieht in der Regel in der Nacht zum 1. Januar oder 1. Juli, und zwar so, dass die UTC nie mehr als 0,9 Sekunden von der durch die Erdumdrehung definierte Zeit abweicht. Um die Spanne zwischen zwei gegebenen Zeitpunkten exakt anzugeben, muss man das Verzeichnis der Schaltsekunden zu Rate ziehen.

Navigationssysteme

Die ultrapräzise Zeitmessung hat aber auch praktischere Anwendungen – vor allem in der Navigation. Die genaue Position der interplanetaren Sonde Voyager 2 beim Vorbeiflug am Neptun bestimmte man mit drei weit voneinander entfernten Radar-Teleskopen: Der Abstand der Sonde von jedem Teleskop wurde ermittelt, indem man exakt maß, wie lange ein Signal von dessen Standort zu der Instrumentenkapsel und zurück unterwegs war (das dauerte rund acht Stunden). Eine der neuesten Anwendungen präziser Uhren für die irdische Navigation ist das Globale Positionierungssystem (GPS). Es arbeitet mit Atomuhren an Bord geostationärer Satelliten. Damit kann jeder, der über einen geeigneten Radioempfänger und einen Computer verfügt, die eigene Position auf nahezu zehn Meter und die Zeit auf 10-7 Sekunden genau bestimmen. Zwei Personen, die vom selben Satelliten Signale empfangen, können ihre Uhren auf wenige Nanosekunden (milliardstel Sekunden) genau synchronisieren. Mit dem GPS lassen sich Schiffe, Flugzeuge und sogar Kraftfahrzeuge orten. Im Golfkrieg von 1991 bestimmten die amerikanischen Bodentruppen damit ihre Position in der Wüste Arabiens. Die billigsten kommerziellen GPS-Empfangsgeräte kosten weniger als 1500 Mark; allerdings ist ihre Genauigkeit auf rund 100 Meter beschränkt, weil die Ortungssignale der Satelliten entsprechend manipuliert sind. Wenn demnächst alle 24 Satelliten stationiert sein werden, kann das komplette System Tag und Nacht jeden Punkt der Erde abdecken. Die Beispiele zeigen, wie wichtig für Theorie und Praxis noch genauere Zeit- und Frequenzstandards sind. Die nun absehbaren Verbesserungen werden den Nutzen der heutigen Geräte erhöhen und gänzlich neue Anwendungsgebiete erschließen. Die Zeit bleibt nicht stehen.

9 / 1993

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 9 / 1993

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  • Infos

From Sundials to Atomic Clocks: Understanding Time and Frequency. Von J.Jespersen und J.Fitz-Randolph. Dover, 1982.

History of Atomic Clocks. Von Norman F. Ramsay in: Journal of Research of the National Bureau of Standards, Band 88, Heft 5, Seiten 301 bis 320, September/Oktober 1983

Precise Measurement of Time. Von Norman F. Ramsay in: American Scientist, Band 76, Heft 1, Seiten 42 bis 49, Januar/Februar 1988

Time and Frequency. Sonderheft von: Proceedings of the IEEE, Band 79, Heft 7, Juli 1991




Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 1993, Seite 32
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