Das Bild zeigt ein Detail einer Atomuhr, die an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig  betrieben wird. Dabei handelt es sich um eine Atomuhr, die mit Ytterbium-Atomen als Taktgeber funktioniert und eine genauere Zeitmessung ermöglich

Atomuhren

Die am schnellsten tickenden Uhren der Welt sind sogenannte Atomuhren – wie sie funktionieren und wo wir uns in unserem Alltag bereits auf sie verlassen, darüber sprach Thomas Udem vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in unserem Podcast.

Auch wenn Physiker und Philosophen immer noch darüber rätseln, was die Zeit eigentlich ist, versucht man sie doch seit Jahrhunderten immer genauer zu vermessen. Ob Sonnenuhr, Pendeluhr oder Atomuhr – alle Uhren funktionieren nach demselben Prinzip.

Thomas Udem vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching
Thomas Udem

Thomas Udem: „Alle gebräuchlichen Uhren bestehen im Wesentlichen aus zwei Komponenten: Sie benutzen etwas, das periodisch ist, und dann gibt es etwas, das diesen periodischen Vorgang zählt. Der periodische Vorgang kann zum Beispiel die Erddrehung sein, dann hat man eine Sonnenuhr. Der Vorgang kann aber auch ein Pendel sein, dann hat man eine Pendeluhr. Oder es kann auch ein Atom sein, das man irgendwie zum Schwingen bringt, und wenn man das benutzt, dann spricht man von Atomuhren.“

Atomuhren liefern heutzutage die Zeitangaben mit der höchsten Genauigkeit. Die koordinierte Weltzeit, auch UTC genannt, basiert auf der Koordination von Hunderten von Atomuhren. Betrieben werden diese Uhren weltweit von Instituten wie zum Beispiel der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Die allererste Atomuhr – mit Ammoniakmolekülen als Taktgeber – fing im Jahr 1949 zu ticken an. Wenig später folgten auf Cäsiumatomen basierende Atomuhren. Die Cäsiumatome befinden sich hierin zunächst allesamt in ihrem Grundzustand – dem Zustand niedrigster Energie. In einem nächsten Schritt schicken Physiker dann Mikrowellenstrahlung auf die Atome. Unter bestimmten Umständen können die Cäsiumatome die Energie der elektromagnetischen Wellen absorbieren und in einen höheren Energiezustand wechseln. Der Wechsel von einem Energiezustand in einen anderen Energiezustand hängt im Fall der Cäsiumuhr mit dem sogenannten Kernspin zusammen. Dieser beschreibt den Gesamtdrehimpuls eines Atomskerns.

„Eigentlich klappt man den Kernspin um. Und den Kernspin kann man nur umklappen, indem man mit einer ganz bestimmten Frequenz auf das Cäsiumatom einwirkt. Der Kernspin ist da sehr, sehr wählerisch. Dieses Umklappen des Kernspins wird gemessen. Man misst also nicht die Absorption oder was das Atom aussendet, sondern man stellt einfach fest, dass der Kernspin umgeklappt wurde.“

Definition einer Sekunde

Die Physiker können nämlich messen, bei wie vielen Cäsiumatomen der Kernspin umgeklappt wurde. Die Frequenz – also die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde – der Mikrowellenstrahlung wird nun so lange verändert, bis das bei möglichst vielen Cäsiumatomen passiert. Physiker sprechen dann von einer Resonanz.

„Und wenn das der Fall ist, dann schwingt diese Mikrowelle 9 192 631 770 Mal pro Sekunde. Das heißt, nach dieser Anzahl von vorgegebenen Oszillationen würde man dann den Sekundenzeiger an der Uhr weiterstellen.“

Schematischer Aufbau einer Cäsiumatomuhr
Schematischer Aufbau einer Cäsiumatomuhr

Dieses Verfahren ist so zuverlässig, dass man seit 1967 die Sekunde dadurch definiert: Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids Cs-133 entsprechenden Strahlung. Zuvor legte man eine Sekunde als den Bruchteil eines Tages, später eines Jahres fest. Auch wenn eine Cäsiumatomuhr nach über 300 000 Jahren um lediglich eine Sekunde falsch geht – zufrieden geben sich die Wissenschaftler damit nicht. Seit rund zehn Jahren entwickeln sie Atomuhren, die nicht Mikrowellenstrahlung, sondern Licht als Zählwerk verwenden.

„Optische Uhren können deswegen genauer sein, weil sie einfach sehr viel schneller ticken. Das Pendel in der optischen Uhr schwingt etwa hunderttausend- oder millionenfach schneller und dadurch ist diese Uhr in der Lage, die Zeit in feinere Intervalle zu unterteilen.“

Es gibt unterschiedliche Taktgeber für diese optischen Atomuhren. Möglich sind einzelne Aluminiumatome, aber auch Strontium- oder Ytterbiumatome. Die mit diesen Atomen arbeitenden Zeitmesser sind derzeit die genauesten der Welt: Hätten sie seit Beginn des Universums vor 13,7 Milliarden Jahren mit dem Ticken begonnen, würden sie inzwischen um lediglich eine Sekunde falsch gehen. Doch warum nehmen es die Physiker mit ihren Uhren eigentlich so genau und entwickeln immer bessere Uhren?

Längst im Alltag präsent

„Eine Motivation ist, dass die Standardinstitute die Maßeinheiten für die Industrie bereitstellen müssen. Zum Beispiel braucht man für die Navigation sehr genaue Uhren. Also müssen die Institute die übernächste Generation schon entwickeln und das bereithalten, was besser als das Beste ist, was die Industrie braucht.“

Atomuhren sind längst in unserem Alltag präsent. Sie geben Funk- und Bahnhofsuhren den Takt vor. Und sie sorgen dafür, dass wir uns nicht verfahren: Unsere GPS-Systeme funktionieren mithilfe von Satelliten, die ihre Position sowie ihre Uhrzeit an einen GPS-Empfänger – etwa im Auto – senden. Der GPS-Empfänger berechnet anschließend den Unterschied zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Signal vom Satelliten gesendet wurde und dem Zeitpunkt, zu dem es empfangen wurde. Um eine Position auf der Erde zu bestimmen, braucht man die Signale von drei GPS-Satelliten. Genauigkeit spielt bei dieser Technik eine wichtige Rolle, denn eine Abweichung von lediglich dem Millionstel einer Sekunde bedeutet, dass der Empfänger bei der Position um dreihundert Meter falsch liegt. Deshalb verfügen GPS-Satelliten über eingebaute Atomuhren.

CSF1 und CSF2 sind zwei moderne, zylinderförmige Atomuhren, die sich an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt  in Braunschweig befinden. Diese Cäsium-Fontäneuhren nutzen bis fast auf den absoluten Nullpunkt gekühlte Cäsium-Atome, um eine genauere Zeitmessung als "herkömmliche" Cäsium-Atomuhren zu ermöglichen.
Fontänenuhren CSF1 und CSF2

„An einer anderen Stelle braucht man auch noch genaue Atomuhren, und zwar wenn man schnelle Datennetze synchronisieren möchte. Wir haben eine lange Übertragungsstrecke von Daten über optische Glasfasern und da müssen an beiden Enden die Taktgeber, die empfangen und die senden, synchronisiert sein, sonst kommen die ganzen Bits durcheinander.“

Auch die Grundlagenforschung freut sich über die hochgenauen Zeitzähler. Zum Beispiel wenn es um die Überprüfung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie geht – denn diese besagt, dass Massen nicht nur den Raum, sondern auch die Zeit beeinflussen: In der Nähe großer Massen vergeht die Zeit langsamer.

„Wenn man die Allgemeine Relativitätstheorie testen möchte, dann haben wir das Problem, dass die Gravitation hier auf der Erde nicht besonders stark ist, also nicht so stark, dass sie Uhren sehr stark beeinflussen würde. Und deswegen braucht man unglaublich genaue Uhren, um da überhaupt die Vorhersagen testen zu können.“

Zwar bleiben die grundlegenden Rätsel der Zeit noch ungelöst, etwa ob sie auf den allerkleinsten Skalen vorwärts fließt oder ruckelt und warum man in der Zeit nur vorwärts und nicht rückwärts gehen kann. Doch mithilfe der Atomuhren ist sie immerhin zu derjenigen physikalischen Größe geworden, die sich am genauesten vermessen lässt.