Die Atomuhr – Geschichte und Zukunft

Die Atomuhr ist eine unglaublich genaue Uhr. In fünf Millionen Jahren weicht ihre Angabe gerade Mal um eine Sekunde von der Realität ab. Die deutsche Zeit wird an der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig verwaltet und verbreitet. Wie jede andere Uhr auch muss bei der Atomuhr ein Taktgeber die Zeit angeben. Bei ihr ist es allerdings nicht die Schwingfrequenz des Quarzes oder ein Pendel. Dagegen wird die Schwingfrequenz eines Caesiumatoms genutzt, die über neun Milliarden mal pro Sekunde "schwingt". Zum Vergleich: Eine normale Quarzuhr schafft "nur" 32.000 Schwingungen in der Sekunde.

Geschichte und Entwicklung

Die Geschichte der Atomuhr ist bis in das Jahr 1945 zurückzuführen, als der US-amerikanische Physiker Isidor Rabi basierend auf seinen in den 1930er Jahren durchgeführten Untersuchungen zu Magnetresonanzverfahren den Bau der Uhr anregte. Ein Jahr später wurde das erste Exemplar von Willard Frank Libby vorgestellt, 1949 wurde eine weitere von Harold Lyons im National Burea of Standards (NBS) konstruiert. Zu ihrer Zeit nutzte die Uhr als Schwingungsquelle Ammoniak-Moleküle, die nicht die erhoffte Genauigkeit erbrachten. Aus diesem Grund wurde die Uhr drei Jahre später unter dem Namen NBS-1 mit Caesiumatomen aufgerüstet. In Großbritannien folgte 1955 eine genauere Caesiumuhr von den Physikern J. V. L. Parry und Luis Essen. Aufgrund der hervorragenden Ergebnisse dieser Uhren wurde die Atomzeit zum internationalen Standard für eine Sekunde definiert. Im Internationalen Einheitensystem beträgt die Zeitdauer einer Sekunde per Definition „[…] das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.“ Die gängigsten Atome, mit denen die Uhren betrieben werden, sind Wasserstoff, Caesium und Rubidium. Auch heute noch werden Caesium-Uhren fortan verbessert, um verschiedene wissenschaftliche Experimente, die genauste Präzision erfordern, möglich zu machen.

Wofür werden genaue Uhren benötigt?

Für den Otto-Normalverbraucher sind solche genauen Zeitangaben weniger von Bedeutung. Doch in der modernen Forschung und Wissenschaft ist man auf eine exakte Zeitmessung angewiesen. Experimente wie etwa die Relativitätstheorie von Einstein oder auch physikalische Experimente in Teilchenbeschleunigern müssen in kurzen Zeiträumen im Nanosekundenbereich gemessen werden. Die exakte Uhrzeit ist aber auch für Navigation und Kommunikation äußerst wichtig. Navigationssysteme in Autos oder Telefonen erhalten je ein Zeitsignal von drei Satelliten mit Lichtgeschwindigkeit, was 300.000 km/s entspricht. Da man sich nicht exakt in der Mitte der drei Satelliten befindet, benötigen die Signale der Satelliten unterschiedlich lang, bis sie den Empfänger erreichen. Durch diese winzigen Zeitunterschiede kann die exakte Position ermittelt werden. In Zukunft soll der Abgleich über Glasfaserleitungen und nicht mehr über Satelliten erfolgen.

Abgleichung über Glasfaserleitungen

Optische Atomuhren können die Zeit mit unglaublicher Genauigkeit messen. Doch erst der Vergleich mit anderen Uhren macht sich zu einem hochpräzisen Instrument, welches für Tests fundamentaler Theorien genutzt werden kann: von der Quantenphysik bis zur Kosmologie. Ein Experiment deutscher Forscher zeigt nun, wie alle optischen Atomuhren Europas mithilfe von Glasfaserkabeln verbunden werden könnten, um den Abgleich der Zeitmesser zu erleichtern. Die optischen Frequenzen dieser Uhren wurden im Test über 920 Kilometer lange Glasfaserverbindungen übertragen. Im Magazin "Science" berichteten die Forscher, dass man mit der Glasfaser-Verbindung in Zukunft Naturkonstanten, Vorhersagen der Quantenelektrodynamik oder die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein überprüfen könnte.

Neue Maschine soll Zeitmessung genauer machen

US-amerikanische Forscher haben eine Maschine entwickelt, die die Genauigkeit von Atomuhren um ein Vielfaches erhöhen soll. Bisher liegt die Abweichung bei einer Sekunde in ein bis fünf Millionen Jahren. Diese Ungenauigkeit soll mithilfe der neuen Maschine erst in 140 Milliarden Jahren erreicht werden. In jeder Funkuhr steckt der Sender DCF77 der PTB. Dieser Sender erhält sein Signal von der Cäsium-Atomuhr CS2. Obwohl die Uhr erst vor Kurzem aufgerüstet wurde, soll die neue Konstruktion, die von Wissenschaftlern der US-Universitäten Georgia Tech und Nevada sowie der Universität von New South Wales aus Australien entwickelt wurde, ihre Genauigkeit deutlich verbessern.

Artikelbild: © DeshaCAM / Shutterstock

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