Die Zukunft der Zeitmessung - Für optische Atomuhren ist Vakuum-Technologie unerlässlich

Die Zukunft der Zeitmessung - Für optische Atomuhren ist Vakuum-Technologie unerlässlich

Herzstück der genauesten Zeitmessinstrumente von heute sind Vakuumkammern, in denen Atome frei schweben. Bei der neuesten Generation von Atomuhren fungieren Laserpulse als Taktgeber. Sie arbeiten unvorstellbar präzise.
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Was ist Zeit? Weder Physiker noch Philosophen können das beantworten. Das hindert uns Menschen allerdings nicht daran, sie in Abschnitte zu teilen und möglichst genau zu messen. Wichtige Entwicklungsstufen der Zeitmessung waren etwa die Sonnenuhren im Altertum oder die mechanischen Turmuhren des Mittelalters. Ein entscheidender technischer Fortschritt gelang dem Mathematiker und Physiker Christian Huygens im 17. Jahrhundert: Seine Pendeluhr unterteilte die Zeit erstmals präzise in Stunden, Minuten und Sekunden. Seitdem wurden immer genauere Messinstrumente entwickelt. Heutige Cäsium-Atomuhren, auf denen die offizielle, genormte Weltzeit beruht, gehen innerhalb von 30 Millionen Jahren gerade mal eine Sekunde nach.

Cäsium-Atomuhren takten die Welt

Diese modernen Zeitmesser haben weder Pendel noch Zeiger. Stattdessen „ticken" in ihnen Cäsiumatome. Sie werden verdampft und als Atomstrahl gebündelt durch eine Vakuumkammer geleitet. Der geringe Druck gewährleistet, dass die Atome nicht aneinanderstoßen und die Kammer mit hoher Energie passieren. Anschließend setzt man die Atome Mikrowellenstrahlung aus. Die passende Frequenz, die Physiker sprechen von Resonanz, verändert bei einigen Atomen den Energiezustand. Sie werden „angeregt" und von einem Detektor gezählt.

Nun wird die Mikrowellenfrequenz angepasst, bis sich der Energiezustand der größtmöglichen Anzahl an Cäsium-Atomen verändert. Das geschieht zuverlässig bei 9 192 631 770 Hertz – also bei über neun Billionen Schwingungen pro Sekunde. Im Umkehrschluss ist eine Sekunde verstrichen, wenn diese Zahl erreicht ist. Sie ist daher die Basis für die Definition der Länge einer Sekunde im internationalen Einheitssystem SI.

Mit Laser noch genauer

Neben Cäsium-Strahluhren dienen heute auch Cäsium-Fontänenuhren als Referenz-Uhren für die Weltzeit. Hier werden die Cäsium-Atome in der Vakuumkammer so dirigiert, dass sie eine Fontäne bilden, bevor man sie mit Mikrowellen bestrahlt. Da die Resonanzfrequenz der Atome mit diesem Trick noch exakter bestimmt werden kann, gehen Fontänen-Uhren erst in 40 Millionen Jahren höchstens um eine Sekunde falsch.

Noch genauer sind optische Atomuhren, die zum Beispiel mit Strontium- oder Ytterbiumatomen funktionieren. Diese werden nicht mit Mikrowellen, sondern mit Laserlicht angeregt, ebenfalls im Ultrahochvakuum. Als Referenz für die Sekunde dient die Lichtfrequenz, die bei einem Atom einen Wechsel des Energiezustands bewirkt. Die Frequenz ist höher, der Elektronenübergang schneller, so kann die Zeit in noch kleinere Intervalle eingeteilt werden. Die optischen Uhren „ticken" viel schneller und genauer als die Cäsium-Uhr. Sie könnten zu den neuen Taktgebern für die Weltzeit werden und auch eine Neudefinition der Sekunde nötig machen. Unabhängig vom Verfahren benötigen alle Arten von Atomuhren eine Vakuumkammer für ihre Maßstab-Atome.


Kaum jemandem ist bewusst, dass Atomuhren schon seit langem unserem Alltag den Takt vorgeben, zum Beispiel durch die Zeitvorgabe an Funk- und Bahnhofsuhren. GPS-Systeme könnten ohne die atomaren Zeitmesser keine verlässliche Navigation gewährleisten: Die GPS-Empfänger, etwa unsere Auto-Navis, registrieren permanent Informationen von GPS-Satelliten, die ihre jeweilige Position und Uhrzeit funken. Mit den Daten von drei Satelliten findet der Empfänger die exakte Position, indem er den Unterschied zwischen Aussendung und Empfang der Signale berechnet. Eine Abweichung von nur einer Millionstel Sekunde würde sie um 300 Meter versetzen.

Auch für die Synchronisierung schneller Datennetze werden Atomuhren benötigt. Bei langen Übertragungsstrecken über optische Glasfasern müssen die Taktgeber, die senden und empfangen, sehr genau übereinstimmen, damit kein Datenchaos entsteht.

Auf hyperexakte Zeitmessung kommt es zudem bei geodätischen Anwendungen sowie in der Grundlagenforschung an. Die allerneueste Generation von Atomuhren hilft mit, die von Einstein postulierte Zeitdehnung durch Schwerkraft auf der Erde zu messen oder der Dunklen Materie auf die Spur zu kommen.


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