Im Podcast »Die großen Fragen der Wissenschaft« gehen wir den größten Rätseln des Universums auf den Grund. Dieses Interview ist eine gekürzte und angepasste Fassung der Folge »Was ist Zeit, Ekkehard Peik?«.

Herr Peik, wann und warum haben Menschen begonnen, die Zeit zu messen?

Das geht zurück in die Phase, als man begann, über den Jahresverlauf nachzudenken. Das muss also gut 10 000 Jahre her sein. Man wollte die richtigen Zeitpunkte für Aussaat und Ernte vorhersagen können und hat dafür den Stand von Sonne und Sternen verfolgt. Die Babylonier und die alten Ägypter fingen später an, die Zeit auch während des Tages zu messen. Sie unterteilten den Tag in 24 Stunden. Von den Babyloniern stammt das so genannte Sexagesimalsystem, also die Einteilung in ein Vielfaches von 60.

Und gemessen hat man die Zeit in der Antike mit Sonnenuhren?

Ja, das war noch bis ins 18. und 19. Jahrhundert die genaueste Möglichkeit, zuverlässig Zeit zu messen.

Aber das heißt: Den Uhrzeigersinn, den wir heute kennen, gibt es in dieser Richtung nur, weil die Sonnenuhr auf der Nordhalbkugel entwickelt wurde, richtig?

Das stimmt. Auf der Südhalbkugel läuft der Zeiger einer Sonnenuhr in die andere Richtung. Dort bewegt sich der Schatten von West über Nord nach Ost; auf der Nordhalbkugel hingegen von West über Süd nach Ost.

Und wann kamen die Pendeluhren?

Die ersten mechanischen Uhren stammen aus dem späten Mittelalter beziehungsweise der Renaissance. Ihr großer Vorteil: Sie funktionieren auch ohne Sonnenlicht. Gerade im Winter war es in unseren höheren nördlichen Breitengraden sinnvoll, sich unabhängig von der Sonne zu machen. Die ersten Pendeluhren waren natürlich noch nicht sehr genau – sie konnten bis zu einer Viertelstunde pro Tag abweichen. Aber ihre Erfindung war ein wichtiger Fortschritt. Die Pendeluhr eignet sich außerdem sehr gut, um das grundlegende Prinzip moderner Atomuhren zu veranschaulichen.

Inwiefern?

Man kombiniert bei Pendeluhren einen Taktgeber – etwa ein Pendel, das gleichmäßig hin- und herschwingt und dessen Frequenz im Wesentlichen von seiner Länge bestimmt wird – mit einem Zählwerk, das die Anzahl dieser Schwingungen erfasst und daraus eine Zeitanzeige ableitet. Diese beiden Grundelemente prägen das Prinzip aller Uhren, von den frühen mechanischen Konstruktionen bis hin zu den modernen Atomuhren.

»Auch wenn meine Arbeit nicht viel mit der Uhrmacherei im traditionellen Sinne zu tun hat: Auch ich möchte die Zeit messen – bloß nutze ich dafür Strahlungsübergänge von Elektronen in Atomen«

Womit wir bei Ihrer eigenen Forschung wären. Sie sind selbst eine Art Uhrmacher und arbeiten an modernen Atomuhren.

Ja, das kann man schon so sagen. Selbst wenn meine Arbeit nicht viel mit der Uhrmacherei im traditionellen Sinne zu tun hat, sehe ich, dass ich eine ähnliche Motivation habe. Auch ich möchte die Zeit messen – bloß nutze ich dafür Strahlungsübergänge von Elektronen in Atomen.

Wie funktioniert das?

Atomuhren sind die Uhren, die man seit den 1960er-Jahren verwendet, um die Zeit zu definieren. Sie sind viel genauer als mechanische Uhren, vom Aufbau her aber vergleichbar. Da gibt es auch so etwas wie ein Pendel, das den Takt vorgibt. Das ist hier allerdings eine Schwingung in einem Atom, konkret: die Schwingung des Elektrons im Cäsiumatom. Und dann gibt es Elektronik, die diese Schwingung anregt, und Elektronik, die diese Schwingung zählt, sodass man daraus ein Zeitintervall und dann schlussendlich auch eine Uhrzeit ableiten kann.

Warum verwenden Sie dafür ausgerechnet Cäsium?

Das hat vor allem praktisch-technische Gründe. Mit Rubidium oder Wasserstoff hätten auch Alternativen zur Verfügung gestanden. Aber Cäsium hat einige entscheidende Vorteile. Zum einen besitzt das Alkalimetall nur ein einziges stabiles, natürlich vorkommendes Isotop: Cs-133. Zum anderen lässt sich Cäsium bereits bei etwa 100 Grad Celsius leicht verdampfen – eine wichtige Eigenschaft, denn für Atomuhren benötigt man freie Atome im Vakuum.

Wie ergibt sich daraus jetzt ein Takt?

Entscheidend für die Taktfrequenz ist das äußere Valenzelektron, das zugleich die chemischen Eigenschaften bestimmt. Es trägt ein magnetisches Moment, das sich vereinfacht wie ein kleiner Stabmagnet mit Nord- und Südpol auffassen lässt. Ähnlich kann man sich auch den Atomkern vorstellen. Beide »Magnete« können parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sein – zwei Zustände mit leicht unterschiedlicher Energie. Wechselt das System zwischen diesen Energieniveaus, wird gemäß den Gesetzen der Quantenmechanik elektromagnetische Strahlung absorbiert oder emittiert. Deren Frequenz ist direkt durch den Energieunterschied festgelegt. Im Fall von Cäsium ist dieser vergleichsweise klein, was einer Frequenz von rund neun Gigahertz entspricht – also etwa neun Milliarden Schwingungen pro Sekunde. Zum Vergleich: Rubidium liegt bei etwa sechs Gigahertz, Wasserstoff bei nur 1,4. Und je höher die Frequenz, desto feiner lässt sich die Zeit unterteilen.

Bei neun Gigahertz sind wir im Mikrowellenbereich …

Genau. Da laufen Mikrowellenöfen, aber auch der Mobilfunk. Und diese Frequenzen konnte man bereits in den 1950er-Jahren sehr präzise beherrschen. So gab es schon Elektronik, die diese Schwingungen zählen konnte. 1955 lief am National Physical Laboratory in Großbritannien die erste Cäsium-Atomuhr. Und die wurde 1967 auch verwendet, um über die Schwingung des Cäsiumatoms die Sekunde neu zu definieren.

»Nach Jahrtausenden sollten die Astronomen nun die Hoheit über die Zeit an die Atomphysik abtreten«

Das klingt jetzt einfacher, als es vermutlich war. Wie kommt es dazu?

Das war ein echter Paradigmenwechsel. Bis dahin war die Präzisionszeitmessung eine Domäne der Astronomen: Man bestimmte die Erddrehung, indem man die Positionen von Fixsternen vermaß. Nach Jahrtausenden sollten die Astronomen nun die Hoheit über die Zeit an die Atomphysik abtreten.

Mit welcher Begründung?

Seit den 1930ern war klar, dass die Erdrotation nicht ganz gleichmäßig ist. Die Erde ist ein kompliziertes Gebilde. Da bewegen sich Massen in den Ozeanen wie auch im Erdinnern, weswegen die Periode der Erdrotation um etwa eine Millisekunde am Tag schwankt. Hier haben Atomuhren Vorteile: Sie sind einfach genauer.

Wie verlief der Übergang vom einen zum anderen Paradigma?

Die neu zu definierende Atomsekunde sollte natürlich exakt der Länge der astronomischen Sekunde entsprechen. Dazu hat man die erste Atomuhr mit einem astronomischen Observatorium gekoppelt und die Messungen über drei Jahre miteinander verglichen. Das Ergebnis wurde dann festgeschrieben in der Definition, die bis heute gilt: Eine Sekunde ist die Dauer von 9 192 631 770 Perioden des Übergangs im Cäsium-133-Atom. Inzwischen ist man bei den besten Cäsiumuhren schon bei einer Messgenauigkeit von 16 Dezimalstellen. Das sind die sogenannten primären Uhren, die in den nationalen Zeitinstituten auf der ganzen Welt verteilt stehen, für Deutschland also bei uns in Braunschweig. Sie würden erst nach etwa 100 Millionen Jahren um eine Sekunde von einer idealen Uhr abweichen.

Wie wurde diese hohe Präzision erreicht?

Vor allem durch Laserkühlung. Das ist ein Verfahren, mit dem Atome abgebremst und ihre thermische Bewegung nahezu gestoppt wird. Für eine möglichst präzise Uhr braucht man nämlich die Frequenz des Elektronübergangs, wenn das Atom in Ruhe ist. Auch das klappt bei Cäsium besonders gut.

Warum wollen wir die Zeit eigentlich so genau messen? Was hängt davon ab?

Wenn die Atomuhren in verschiedenen Laboren möglichst exakt übereinstimmen, müssen sie seltener miteinander synchronisiert werden. Das hilft bei einer Vielzahl praktischer Anwendungen. So werden etwa die 50 Hertz der Wechselspannung im Stromnetz mithilfe hochpräziser Zeitreferenzen stabil gehalten: Nur wenn die Phasenlage exakt kontrolliert wird, lassen sich Kraftwerke flexibel und zuverlässig zusammenschalten. Noch höhere Anforderungen an die Genauigkeit stellt jedoch die Satellitennavigation. Systeme wie das amerikanische GPS, das europäische Galileo oder das russische Glonass basieren auf Satelliten, die die Erde umkreisen und jeweils mit Atomuhren ausgestattet sind. Deren Umlaufbahnen lassen sich präzise berechnen und damit auch ihre Position. Ein Empfänger am Boden erhält die Signale von mindestens vier solcher Satelliten. Aus den Unterschieden in den Laufzeiten der Signale wird dann die eigene Position bestimmt. Diese Technik ist nicht nur für die Navigation unverzichtbar, sondern auch für die Geodäsie, also die hochgenaue Vermessung der Erde.

Können Sie dafür ein Beispiel geben?

Großräumige Vermessungen der Erde erfolgen heute vor allem mithilfe von Satellitensystemen. Auf diese Weise lässt sich sogar die Drift der Kontinentalplatten verfolgen – beispielsweise das langsame Auseinandergleiten von Nordamerika und Europa, das nur wenige Zentimeter pro Jahr beträgt. Erst die langfristige Auswertung präziser Satellitendaten macht solche Bewegungen sichtbar. Auch Veränderungen des Meeresspiegels lassen sich mit dieser Technologie kontinuierlich erfassen.

Wie könnte die Entwicklung von Atomuhren weitergehen?

Der nächste große Entwicklungsschritt zeichnet sich bereits ab: optische Uhren. Sie arbeiten nicht mehr mit Mikrowellenfrequenzen wie die klassischen Cäsium-Uhren, sondern mit Laserlicht im optischen Bereich, also mit deutlich höheren Frequenzen. Dafür kommen dann andere Atome infrage, etwa Ytterbium, Strontium oder Aluminium. Vieles spricht dafür, dass in den kommenden Jahren ein solches System zum neuen Standard wird – und damit auch eine Neudefinition der Sekunde kommt.

Sie selbst arbeiten schon seit 20 Jahren an einer anderen Art von Uhr. Anfang der 2000er-Jahre hatten Sie eine Idee, die Ihnen im Jahr 2024 den Titel »Father of Time« des Fachmagazins »Nature« eingebracht hat. Was haben Sie sich überlegt?

Die Idee ist, sich von Übergängen in der Elektronenhülle zu lösen und stattdessen Prozesse im Atomkern selbst zu nutzen – also eine Atomkernuhr zu entwickeln. Auch der Kern ist kein starres Gebilde: Er setzt sich aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen zusammen, die verschiedene Zustände einnehmen können. Übergänge zwischen diesen Zuständen gehen, wie in der Elektronenhülle, mit der Absorption oder Emission von Strahlung einher. Der entscheidende Vorteil liegt in der Größenordnung: Der Atomkern ist rund 100 000-mal kleiner als das Atom als Ganzes. Entsprechend reagieren seine Zustände deutlich weniger empfindlich auf Störungen wie äußere elektrische oder magnetische Felder. Für eine solche Kernuhr haben wir konkret das Isotop Thorium-229 vorgeschlagen, da es einen besonders niederenergetischen Kernübergang besitzt, der sich prinzipiell mit Lasertechnik ansprechen lässt.

Aber ganz so einfach lässt sich das offenbar nicht umsetzen, immerhin sind seither zwei Jahrzehnte vergangen. Was haben Sie auf Ihrem Weg zur Atomkernuhr schon erreicht?

Zunächst haben wir über Jahre hinweg verschiedene Ansätze verfolgt, um zu zeigen, dass sich der Thoriumkern tatsächlich gezielt mit einem Laser anregen lässt. Unterwegs gab es einige Schwierigkeiten zu meistern. Ende 2023 gelang es uns erstmals, diese Laseranregung eindeutig nachzuweisen. Noch erreicht das Verfahren nicht die Präzision heutiger Atomuhren. Doch dieser Durchbruch markierte einen wichtigen Schritt: Er öffnet gewissermaßen die Tür zu einem neuen Forschungsfeld – und zu völlig neuen Möglichkeiten der Zeitmessung.

Wie präzise könnte eine Atomkernuhr denn werden?

Ich denke, 19 Stellen sind für praktische Zwecke realisierbar, vielleicht auch 20.

»Das ist die Sternstunde einer Forscherkarriere, auf die man hinarbeitet. Es ist eine schöne Bestätigung, wenn man zum ersten Mal etwas sieht, was wirklich neu ist«

Wie fühlt man sich, wenn man nach zwei Jahrzehnten harter Arbeit so einen Meilenstein erreicht hat?

Das ist ein tolles Erlebnis. Das ist die Sternstunde einer Forscherkarriere, auf die man hinarbeitet. Es ist eine schöne Bestätigung, wenn man zum ersten Mal etwas sieht, was wirklich neu ist.

Jetzt haben wir viel über Zeitmessung gesprochen, aber noch gar nicht über das Wesen von Zeit an sich. Warum läuft Zeit nie rückwärts?

Viele fundamentale Gesetze der Physik, wie zum Beispiel die Grundgleichungen der Quantenmechanik, haben gar keine bevorzugte Zeitrichtung. Anders verhält es sich bei komplexeren, zusammengesetzten Systemen: Sie entwickeln sich typischerweise in Richtung wachsender Unordnung, wie es die Thermodynamik beschreibt. Auch unser Verständnis von Kausalität ist eindeutig gerichtet: Ursachen gehen Wirkungen voraus – und nie umgekehrt.

Was gehört noch zum Wesen von Zeit?

Es gibt keine universelle Gleichzeitigkeit. Zeit ist relativ und keine absolute Größe. »Zeit ist das, was die Uhr anzeigt«, soll Einstein gesagt haben. Betrachtet man ein konkretes physikalisches System, so lässt sich dort stets eine Uhr definieren, deren periodische Abläufe das Fortschreiten der Zeit markieren. Die Relativitätstheorie kommt dann ins Spiel, wenn man verschiedene Systeme miteinander vergleichen will, die sich relativ zueinander bewegen oder unterschiedlichen Gravitationskräften ausgesetzt sind. Dann erst tauchen viele von den Paradoxien auf, die die Relativitätstheorie so faszinierend und zugleich oft unanschaulich machen.

Sie spielen auf das Zwillingsparadoxon an: Schickt man einen Zwilling auf eine Reise ins All, bei der er sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, so ist er bei seiner Rückkehr jünger als sein Bruder, der zu Hause auf der Erde geblieben ist.

Bemerkenswert daran ist, dass beide Zwillinge ihre jeweilige Zeit als völlig normal erleben. Weder in der beschleunigten Rakete noch auf der Erde treten für sie ungewöhnliche Effekte auf: Biologische Prozesse, Uhren und alle anderen Abläufe verlaufen lokal ganz normal. Und doch zeigt der Vergleich am Ende einen Unterschied – die mitgeführten Uhren sind unterschiedlich weit fortgeschritten. Genau in diesem Auseinanderfallen von subjektiver Erfahrung und objektivem Vergleich liegt der zunächst paradoxe Charakter des Effekts.

In seiner allgemeinen Relativitätstheorie führte Einstein noch die vierdimensionale Raumzeit ein. Was hat es damit auf sich?

Raum und Zeit lassen sich laut Einstein nicht mehr getrennt voneinander beschreiben. Stattdessen werden sie in den grundlegenden Gleichungen gemeinsam als vierdimensionale Raumzeit behandelt. In diesem Gefüge bewirken Massen eine Krümmung des Raumes, die wir als Gravitation wahrnehmen: Sie bestimmt, wie sich Körper bewegen und welche Kräfte zwischen ihnen wirken.

Heißt das, wenn ich eine sehr genaue Uhr einfach nur hochhebe, dann geht sie auch schon anders?

Genau, das ist ein Effekt der Relativitätstheorie, der bei der hohen Genauigkeit der Atomuhren tatsächlich messbar wird. Ein Meter Höhenunterschied macht sich hier auf der Erde an der 16. Dezimalstelle bemerkbar. Wenn wir also unsere Cäsiumuhren in Braunschweig auf 70 Metern Meereshöhe mit denen unserer US-amerikanischen Kollegen in Denver auf etwa 1600 Metern vergleichen wollen, muss dieser Einfluss berücksichtigt und präzise korrigiert werden.

Umgekehrt kann man auf diese Weise mit Uhren Höhenunterschiede messen …

Ja. Die Uhr, die tiefer ist, läuft langsamer. Wenn man eine Uhr in ein Schwarzes Loch werfen würde, also in eine sehr kompakte, sehr schwere Masse, dann würde diese Uhr immer langsamer gehen. Am Ereignishorizont schließlich, ab dem Teilchen und Informationen nicht mehr aus dem Schwarzen Loch entweichen können, würde die Uhr aus der Perspektive eines entfernten Beobachters scheinbar stillstehen.

»Ich halte es für plausibel, dass Zeit quantisiert ist. Wäre sie kontinuierlich, könnte man ja theoretisch immer kleinere Intervalle messen«

Kommen wir noch einmal zur Quantenphysik. Die Grundregeln sind zeitsymmetrisch, sagten Sie. Aber ist die Zeit selbst gequantelt, so wie auch das Licht aus einzelnen Lichtteilchen, den Photonen, besteht? Oder ist Zeit ein Kontinuum, das man theoretisch an jeder beliebigen Stelle durchschneiden oder messen könnte?

Das ist eine offene Frage. Ich halte es für plausibel, dass Zeit quantisiert ist. Wäre sie kontinuierlich, könnte man ja theoretisch immer kleinere Intervalle messen. Die Quantentheorie setzt dem jedoch Grenzen: Je kleiner das betrachtete Zeitintervall, desto höher die dafür nötige Energie – bis man schließlich in einen Bereich gelangt, in dem Energie spontan in Masse umgewandelt werden würde. In diesem Extrembereich müssten wir mit einer bislang unbekannten neuen Physik rechnen.

Markierte der Urknall den Beginn der Zeit?

Ich würde sagen, ja. Man kann natürlich darüber spekulieren oder theoretische Modelle entwickeln, was möglicherweise vor dem Urknall war. Aber Astronomen können in der Zeit nicht weiter zurückschauen als bis zur Hintergrundstrahlung des Universums. Deswegen wissen wir nichts darüber.

Sie definieren in Braunschweig mit Cäsium-Atomuhren die offizielle Zeit für Deutschland. Wie kommt diese zu uns – auf unsere Smartphones, Funkuhren und so weiter?

Das geschieht auf mehreren Wegen, je nach Anwendung. Wir betreiben einen Langwellensender, dessen Radiosignal von rund 100 Millionen Empfängern in Mitteleuropa genutzt wird – seien es Armbanduhren, Radiowecker oder technische Anlagen. Zusätzlich spielt das Internet eine zentrale Rolle: Über das Network Time Protocol (NTP) werden mittlerweile bis zu zehn Milliarden Abrufe pro Tag von großen Servern verarbeitet. Und die Mobilfunkbetreiber wiederum haben jeweils einen eigenen Zugang zu uns und verbreiten dann die Zeit in ihren Netzen weiter.

Könnte es auch sein, dass Zeit am Ende nur eine Illusion ist, die nur in unseren Gehirnen entsteht?

Dem widerspricht die Physik: Zeit ist eng mit Entwicklungen verknüpft. Energie wird übertragen, Strahlung absorbiert und emittiert – es gibt zeitliche Abläufe, die messbar sind. Der Theoretiker John Wheeler hat einmal gesagt: »Zeit ist, was verhindert, dass alles gleichzeitig passiert.« Und tatsächlich passiert ja auch nicht alles gleichzeitig. Unsere menschliche Wahrnehmung von Zeit ist dabei nur ein zusätzlicher Aspekt; wir erleben sie als biologische Wesen. Kurz gesagt: Es gibt eine objektive Entwicklung – und darauf aufbauend unsere subjektive Wahrnehmung.

Ist es aus Ihrer Sicht denkbar, dass es irgendwann Zeitmaschinen gibt, mit denen man in der Zeit vorwärts und rückwärts reisen kann?

Im Prinzip ja. In der Theorie existieren Wurmlochstrukturen, die ungewöhnliche oder sprunghafte Veränderungen auf der Zeitskala ermöglichen könnten. Die dafür erforderlichen Bedingungen sind jedoch extrem exotisch und die Energien so gewaltig, dass kein biologisches System – und auch keine heutige Technologie – eine solche Reise oder Prozedur überstehen könnte.