Die erste Kernuhr tickt

Die Zeit möglichst präzise zu messen, ist eine fundamentale Voraussetzung für viele Gebiete der Physik. Bislang sind Atomuhren der Goldstandard – doch Kernuhren könnten noch stabiler laufen. Nun ist es zwei Teams erstmals geglückt, eine Kernuhr zu bauen.

Atomuhren ticken zwar bereits sehr gleichmäßig und gehen über Dutzende Milliarden von Jahren, was in etwa dem Alter des Universums entspricht, gerade einmal eine Sekunde falsch. Doch für wichtige Forschungsfragen – etwa ob die Naturkonstanten wirklich konstant sind – wären noch genauere Uhren von entscheidender Bedeutung. Deshalb forschen mehrere Gruppen an sogenannten Kernuhren. Denn Atomkerne sind rund 100 000-mal kleiner als Atome und reagieren viel unempfindlicher auf externe Felder. Im Vergleich zu Elektronen könnten sie daher als genauere und stabilere Uhrwerke dienen.

Eine Uhr aus einem Laser, einem Kristall und Thoriumatomen

Kernuhren basieren auf wechselnden Zuständen in einem Kern. Für ihre Kernuhr nutzte eines der Forschungsteams einen kontinuierlichen Laserstrahl und bestrahlte damit einen Kristall aus Kalziumfluorid, der mit einer bestimmten Variante von Thoriumatomen, nämlich Thorium-229-Atomen, dotiert, also mit einzelnen dieser Atome versehen war. Trifft der Laserstrahl auf den Kristall, überträgt er Energie auf die Thoriumkerne, mit anderen Worten: Er regt sie an. Dieser Wechsel zwischen unterschiedlichen Zuständen des Kerns sorgte über eine Rückkopplung dafür, dass der Laserstrahl exakt läuft. Das entspricht dem Bauprinzip von Atomuhren – nur dass angeregte Atomkerne anstelle schwingender Elektronen die Uhr „ticken“ lassen.

Die Prototypen der Kernuhren beider Forschungsteams waren so genau, dass sie pro Jahr nur einige millionstel Sekunden falsch gehen. Das ist zwar noch mehrere Größenordnungen schlechter als die besten heutigen Atomuhren – angesichts des frühen Entwicklungsstands von Kernuhren aber dennoch beeindruckend. Schätzungen zufolge könnten sie schon in einigen Jahren Atomuhren in Sachen Genauigkeit übertrumpfen und die Zeitmessung auf ein völlig neues Niveau heben.