Physik: Atomuhren messen Höhenunterschiede zentimetergenau

Schwerefeld der Erde: Präzise Vermessung mit Atomuhren möglich Zur Großansicht
ESA

Schwerefeld der Erde: Präzise Vermessung mit Atomuhren möglich

Mit zwei Atomuhren und einer Glasfaserleitung haben Physiker den Höhenunterschied zwischen 2000 Kilometer entfernten Orten bestimmt. Der Fehler lag dabei bei lediglich vier Millimetern. Für das Verfahren interessieren sich nun auch Geoforscher.

Berlin - Es gibt ganz unterschiedliche Möglichkeiten, um die Höhe eines Ortes zu bestimmen. Man kann beispielsweise den Luftdruck messen - benötigt dazu allerdings auch immer Vergleichswerte. Auch GPS-Satelliten ermöglichen eine Bestimmung der Höhe.

Physiker aus Braunschweig und München haben nun demonstriert, dass sich Höhen von zwei verschiedenen Orten auch mit Hilfe von Präzisionsuhren vergleichen lassen. Gesine Grosche von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und ihre Kollegen nutzten dazu zwei Atomuhren, die fast 2000 Kilometer voneinander entfernt standen. Über Glasfasern konnten sie die minimal kleinen Gangunterschiede zwischen den Uhren bestimmen - und so den Höhenunterschied berechnen. Über ihr Experiment berichten die Wissenschaftler im Fachblatt "Physical Review Letters".

Dass Uhren in unterschiedlichen Höhen unterschiedlich schnell ticken, folgt aus Einsteins Relativitätstheorie. Die geringere Anziehungskraft der Erde in größeren Höhen sorgt für die sogenannte gravitative Rotverschiebung. Ist eine Uhr weiter von der Erde entfernt, läuft für sie die Zeit etwas schneller ab. Der Effekt ist minimal - aber mit Atomuhren nachweisbar. 1971 luden Forscher dazu extra eine Atomuhr in ein Flugzeug und verglichen ihren Gang mit einer zweiten Uhr, die am Boden blieb. Und tatsächlich ergab sich der prognostizierte Gangunterschied.

Dass man mit zwei Atomuhren selbst Höhenunterschiede von wenigen Zentimetern ermitteln kann, hatten Physiker bereits 2010 in einem Laborexperiment demonstriert. Die Uhren standen dabei aber nahe beieinander. Grosche und ihre Kollegen wiederholten dieses Experiment nun mit zwei Uhren in fast 2000 Kilometern Abstand. Über Glasfaser übertrugen sie die Schwingungsfrequenz der einen Uhr zu der anderen und konnten so die Gangunterschiede bestimmen.

"Die Gesamtmessunsicherheit liegt bei nur 4*10-19, das entspräche vier Millimetern Höhenunterschied", sagte Stefan Droste vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. Die Messung, ein hochempfindliches Interferometrieverfahren, dauere nur 100 Sekunden. "Prinzipiell können jetzt optische Uhren in weit entfernten Forschungsinstituten quasi zusammengeschaltet werden."

Die PTB und das Max-Planck-Institut für Quantenoptik wollen nun die Tauglichkeit ihres Verfahrens für die Vermessung der Erde untersuchen. "Wir arbeiten gemeinsam an dem Antrag für einen Sonderforschungsbereich zusammen mit den Universitäten Hannover und Bremen", sagte Grosche. Zudem könne die Technik auch für radioastronomische Untersuchungen eingesetzt werden.

hda

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insgesamt 66 Beiträge
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1. Super
wolfgang.grassmann 17.09.2013
Toll, daß die Allgemeine Relativitätstheorie nun schon zur Ingenieurswissenschaft geworden ist.
2.
Zorpheus 17.09.2013
Würde mich interessieren, was für eine Glasfaserverbindung das ist. Bei der Entfernung müssten ja einige Verstärker eingebaut sein. Aber das müssten wohl spezielle sein, um die Messung nicht zu verfälschen.
3. Auch bei GPS ...
JaguarCat 17.09.2013
... braucht man die Allgemeine Relativitätstheorie (und nicht nur die Spezielle Relativitätstheorie), um das System genau am Laufen zu halten. Verrückt ist bei der aktuellen Messung, dass man die 19te Stelle hinter dem Komma (!!!) auswertet, um einen Effekt (hier den Höhenunterschied der Uhren) zu messen. Zum Vergleich: Der 19ten Stelle hinter dem Komma entspräche es, wenn man den Abstand zwischen Erde und Mond auf den Durchmesser eines Atoms genau bestimmt! Jag
4.
Flari 17.09.2013
Zitat von ZorpheusWürde mich interessieren, was für eine Glasfaserverbindung das ist. Bei der Entfernung müssten ja einige Verstärker eingebaut sein. Aber das müssten wohl spezielle sein, um die Messung nicht zu verfälschen.
Einerseits haben Sie also absolut NULL Ahnung von Technik, wollen aber andersrum etwas von Verfälschung unterstellen? Sie kennen die Länge der Glasfaserkabel zwischen Europa und Amerika? Schätzen sie die kürzer oder länger als die 2000km, wo Sie schon mehrere Verstärker einbauen wollen? Wie sollen normale Verstärker ein z.B. absolut gleichmässiges Sinus-Signal verfälschen, insb. wenn es ausschliesslich um die Frequenz geht?
5.
Cspan 17.09.2013
Zitat von ZorpheusWürde mich interessieren, was für eine Glasfaserverbindung das ist. Bei der Entfernung müssten ja einige Verstärker eingebaut sein. Aber das müssten wohl spezielle sein, um die Messung nicht zu verfälschen.
Wischen wir uns den Schaum vom Mund, so können wir geduldig und freundlich darüber aufklären, dass es nur auf die genauen Frequenzen bzw. deren Differenzen ankommt, und nicht um die Laufzeitdifferenz.
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