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Zeitmessung: Rasende Taktgeber des Alltags

Die erste Atomuhr Deutschlands begann vor 40 Jahren zu ticken. Sie war lange Zeit eine der genauesten Uhren der Welt und trägt noch heute zur Internationalen Atomzeit, also dem exakten Grundtakt der Zivilisation, bei. Auch in Zukunft sollen deutsche Atomuhren zur Weltspitze zählen.
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Fürs Alltagsleben reicht die Genauigkeit einer Quarzuhr allemal, könnte man meinen. Wer den Zug nicht verpassen möchte oder die Sektkorken rechtzeitig zu Mitternacht knallen lassen will, der schaut auf seine Quarzuhr und kann sicher sein, dass sie auf die Sekunde genau stimmt. Denn der Quarz in ihrem Innern schwingt so gleichmäßig und ausdauernd, dass die Uhr erst nach etwa einer Woche um eine Sekunde vor- oder nachgeht.

Dennoch würde ohne viel genauere Atomuhren der Alltag ganz schön ins Stocken geraten. So würde das Globale Navigationssystem GPS zusammenbrechen, weil die Position des Navis mit Hilfe einer Messung der Signallaufzeit zwischen dem Gerät und GPS-Satelliten bestimmt wird. Die Zeitmessung muss bis auf einige milliardstel Sekunden stimmen.

Richtig oder falsch gehen

Auch Telefonieren wäre unmöglich, wenn Atomuhren nicht den Takt für den Datenverkehr vorgeben würden. Sie steuern die Schalter, die die digitalen Signale so durchs Netz leiten, dass sie in der richtigen Reihenfolge beim Empfänger ankommen. Mehrere tausend Jahre müssen vergehen, ehe eine solche Uhr um eine Sekunde falsch geht.

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GPS-Satellit | Die Position eines Navigationsgeräts wird mit Hilfe einer Messung der Signallaufzeit zwischen dem Gerät und GPS-Satelliten bestimmt. Die Zeitmessung muss bis auf einige milliardstel Sekunden stimmen – Atomuhren sind dafür unverzichtbar.
Doch was heißt eigentlich falsch gehen? Die Atomuhren in Telekom-Netzwerken oder GPS-Satelliten haben gewissermaßen Mutteruhren, nach denen sie sich richten. Gemeint sind etwa 300 noch wesentlich genauere Atomuhren in 60 nationalen Metrologie-Instituten. Im internationalen Zentralinstitut, dem Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) nahe Paris, laufen die Fäden dann zusammen – es fungiert gewissermaßen als Uhrpendel des Planeten.

Die Zeitsignale der weltweit zerstreuten Atomuhren werden dort nicht nur gesammelt, sondern auch verglichen und je nach Stabilität ihrer Herkunftsuhr im errechneten Durchschnittswert unterschiedlich stark gewichtet. Ergebnis ist ein Sekundenticken, das wegen der Vielzahl der daran beteiligten Atomuhren sehr stabil ist. Ausfälle einzelner Uhren machen sich praktisch nicht bemerkbar. Der Zeittakt aus Paris bildet die Grundlage für die Koordinierte Weltzeit UTC (Coordinated Universal Time). Auf diese Weltzeit beziehen sich auch die Atomuhren in den GPS-Satelliten oder den Telekom-Netzen. Falsch heißt also: abweichend vom Sekundenticken aus Paris.

Atome als Taktgeber

Auch deutsche Uhren tragen zur Internationalen Atomzeit bei. Eine der zuverlässigsten Uhren begann bereits vor 40 Jahren bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig zu ticken: die erste deutsche Atomuhr Cäsium-Eins (CS1). Sie war eine der genauesten Uhren ihrer Zeit – in mehr als 70 000 Jahren wäre sie nur um eine Sekunde abgewichen.

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Eine der ersten Atomuhren | 1955 präsentieren Louis Essen und Jack Parry ihre Cäsiumuhr.
Zuvor waren die Deutschen der Entwicklung allerdings hinterhergehinkt. Die erste Atomuhr der Welt wurde bereits 20 Jahre vorher im National Bureau of Standards in Washington D. C. in Betrieb genommen. Zwar war sie ungenauer als die damals besten Quarzuhren, bewies aber, dass die Idee, Atome als Taktgeber für Uhren zu nutzen, funktionierte. Einen gewaltigen Sprung nach vorn machten britische Forscher vom National Physics Laboratory in London 1955 mit einer Atomuhr, die in 300 Jahren nur um eine Sekunde abweicht.

Als Taktgeber verwendete die Uhr, wie auch heute noch üblich, Cäsiumatome. Wie auch andere Atome können diese Energie in Form von elektromagnetischer Strahlung absorbieren, indem sie von einem niedrigen in ein höheres Energieniveau springen. Das funktioniert allerdings nur, wenn die anregende Strahlung eine für die jeweilige Atomart charakteristische Energie und damit eine ganz bestimmte Frequenz besitzt.

Zum Quantensprung gebracht

In einer Cäsium-Atomuhr werden die Teilchen – während sie in einem Strahl durch die Apparatur fliegen – mit Mikrowellen bestrahlt, damit sie einen Quantensprung machen. Je näher die Energie der Strahlung an der nötigen Anregungsenergie liegt, desto größer ist der Erfolg. Die absorbierenden Atome werden jeweils von einem Detektor gezählt, und ein Rückkopplungsmechanismus regelt die Frequenz der Mikrowellenstrahlung dann gerade so, dass die Zahl der angeregten Atome maximal wird. Die eingestrahlte Mikrowellenfrequenz entspricht nun genau der Energie des Quantensprungs und eignet sich damit als exaktes Zeitsignal, aus dem sich ein Sekundentakt erzeugen lässt.

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Uhrenhalle der PTB | In der Uhrenhalle der PTB befinden sich die Cäsium-Atomuhren CS1 und ihre Nachfolger.
Auch die CS1 funktioniert nach diesem Prinzip, nur wesentlich genauer und stabiler als die erste Cäsium-Uhr der Briten. "Denn als die damaligen PTB-Forscher die Uhr bauten, konnten sie von den fast 15 Jahren Erfahrung ihrer Vorgänger an anderen Instituten der Welt profitieren", sagt Andreas Bauch vom Fachbereich Zeit und Frequenz der PTB. So konnten sie sich auf einige technische Verbesserungen konzentrieren: Mit trickreich angeordneten Magneten sorgten sie beispielsweise dafür, dass die Atome im Cäsiumstrahl in etwa die gleiche Geschwindigkeit hatten, was die Frequenzbestimmung exakter machte.

CS1 nahm 1978 den Dauerbetrieb auf und lief bis 1995 ununterbrochen, was ihr einen hohen Stellenwert im Pariser BIPM einbrachte. "Die Uhr wurde immer gut behandelt und gewartet", berichtet Bauch. Nach einer Generalüberholung läuft sie seit 1997 wieder ohne Pause und trägt immer noch ihr Scherflein zur Koordinierten Weltzeit bei.

Harte Konkurrenz

Bereits in den 1990er Jahren bekam sie allerdings ernste Konkurrenz: die so genannten Cäsium-Fontänenuhren. Bei ihnen halten sich die Cäsiumatome hundertmal so lange in der Mikrowellenstrahlung auf wie in herkömmlichen Cäsiumuhren. Dies gelingt, indem die Atome zunächst mit Hilfe von Laserstrahlen abgebremst und dann nach oben geschubst werden, so dass sie eine Parabelbahn beschreiben – wie ein hochgeworfener Ball. Auf diese Weise verbringen sie eine ganze Sekunde im Mikrowellenfeld. Die Cäsium-Fontäne erreicht so eine Genauigkeit von eins zu 1015, das heißt, sie geht erst nach mehr als 30 Millionen Jahren eine Sekunde falsch.

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Cäsium-Fontänenuhr | Die Cäsium-Fontänenuhr ist eine der derzeit genauesten Uhren der Welt.
Inzwischen ist bereits die nächste Atomuhrengeneration in Arbeit. Bei den so genannten optischen Atomuhren vollziehen die Atome einen wesentlich größeren Quantensprung als bei der Cäsiumuhr. Das Atom schluckt dabei Strahlung mit 50 000-fach höherer Frequenz – sichtbares Licht. Dennoch misst das neue Modell die Frequenz, die einem Quantensprung entspricht, auf ähnliche Weise wie eine Cäsiumuhr.

Wegen der höheren Frequenz gelingt die Messung wesentlich genauer. Das haben Physiker des National Institute for Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado, im Frühjahr 2008 gezeigt. Sie maßen mit ihrer optischen Uhr die Übergangsfrequenz eines Aluminiumions. Ergebnis: Die Uhr lief so genau, dass sie in zwei Milliarden Jahren nur um eine Sekunde abweichen würde.

Noch viel Forschungsbedarf

In Braunschweig setzen die Forscher nicht auf Aluminium-, sondern auf Ytterbiumionen. Zwar haben sie damit noch keine wesentlich größere Genauigkeit erreicht als mit den besten Cäsiumuhren. Aber die Genauigkeit allein ist nicht entscheidend. Die PTB-Forscher wollen ein grundlegendes Problem der optischen Uhren überwinden: "Die bisherigen optischen Uhren laufen noch nicht so zuverlässig wie Cäsiumuhren", sagt Ekkehard Peik von der PTB. Ein Grund seien störende elektromagnetische Felder, die von außen auf die Ionen einwirken und die Übergangsfrequenzen der Quantensprünge verschieben. Es gebe noch viel Forschungsbedarf, um eine Lösung für dieses Problem zu finden.

Wofür ist eine immer höhere Präzision eigentlich gut? "Die Geodäsie würde beispielsweise von einer optischen Atomuhr profitieren", sagt Peik. Denn eine solche könne Höhenunterschiede wesentlich genauer messen als heute möglich. Nach Einsteins Relativitätstheorie läuft eine weiter vom Zentrum der Erde entfernte, also höher gelegene Uhr schneller als eine Uhr, die dem Erdmittelpunkt näher liegt.

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Paulfalle | Paulfalle, wie sie für optische Uhren auf der Basis von gefangenen Ionen verwendet wird. Vergrößerung: Falschfarbenbild einer Kette von Magnesiumionen in der Falle, die mit einem Laser zum Leuchten gebracht werden. In den dunklen Lücken sitzen Ionen einer anderen Spezies, die nicht auf das Laserlicht reagieren.
Der Effekt ist winzig, aber optische Atomuhren wären derart genau, dass sie schon ein paar Zentimeter Höhenunterschied feststellen könnten. "Ein neues, exaktes 3-D-Modell der Erde könnte mit dieser Information erstellt werden und vielleicht besser verstehen helfen, wie Erdbeben oder Tsunamis entstehen", sagt Peik.

Größter Nutznießer noch exakterer Uhren wäre aber wohl die Physik selbst: Sie könnten Fragen klären, die Physiker schon lange umtreiben. Zum Beispiel die Frage, ob die fundamentalen Naturkonstanten, also die Eckpfeiler des physikalischen Weltbilds, tatsächlich konstant sind. Einen Beitrag dazu hat zum Beispiel die NIST-Gruppe aus Boulder geliefert: Sie hat gezeigt, dass die so genannte Feinstrukturkonstante, welche die Stärke der abstoßenden und anziehenden Kräfte zwischen elektrisch geladenen Teilchen bestimmt, sich in einem Jahr um höchstens ein Millionstel eines Milliardstels ihres Wertes ändert, also praktisch konstant bleibt.

Auf der Suche nach einer neuen Physik

Damit ist der Nutzen von noch exakteren Atomuhren nicht erschöpft: "Sie könnten fundamentale physikalische Theorien sehr strengen Tests unterziehen", sagt Peik. Physiker rechnen nämlich fest damit, dass es bei genauem Hinsehen Abweichungen von Einsteins Relativitätstheorie und der Quantentheorie gibt. Denn beide Theorien beschreiben jeweils nur einen Teil der physikalischen Realität. Es muss, so die Überzeugung vieler Physiker, noch eine übergeordnete "Theorie für Alles" geben.

Mit Hilfe von Präzisionsmessungen hoffen sie, diese winzigen Abweichungen und damit Hinweise auf die neue Theorie zu finden. Peik sieht die Zeitmesser bei dieser Suche sogar im Vorteil gegenüber gigantischen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider bei Genf. "Nichts lässt sich so exakt messen wie die Zeit", sagt der Physiker. "Atomuhren könnten deshalb das Fenster zu einer neuen Physik aufstoßen."
25. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 25. Woche 2009

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