Zeitmessung: Physiker bauen zuverlässigste Uhr aller Zeiten

Von

Atomuhr: Ytterbium-Gitter tickt nahezu perfekt Fotos
Burrus/ NIST

Auf diese Uhr ist Verlass: ihre Schwingungen variieren nur um den Faktor 0,0000000000000000016 - ein neuer Weltrekord, den US-Physiker jetzt aufgestellt haben. Optische Atomuhren könnten eines Tages eine Neudefinition der Sekunde ermöglichen.

Ticktack macht eine mechanische Uhr - klar und deutlich hörbar für unsere Ohren. Auch Quarzuhren ticken - allerdings 32.768 Mal pro Sekunde und daher mit einer Frequenz, die unser Ohr nicht mehr wahrnehmen kann. Noch schneller, nämlich fast zehn Milliarden Mal je Sekunde, schwingen Cäsium-Atomuhren, die weltweit den Gang der Zeit festlegen.

Physiker am National Institute of Standards and Technology in Boulder (USA) haben nun eine Atomuhr gebaut, die mit einer bisher unerreichten Genauigkeit tickt. Wie bei allen Uhren variiert auch bei dem im Wissenschaftsmagazin "Science" vorgestellten System die Schwingungsdauer. Die Variation, von den Forschern auch als Stabilität bezeichnet, liegt jedoch bei nur noch 1,6 *10-18. Zum Vergleich: Eine Cäsiumuhr erreicht eine Stabilität von etwa 10-16.

"Das ist eine hervorragende Leistung", sagt Christian Lisdat von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB). Es handle sich um "die stabilste je gebaute Uhr". Lisdat forscht in Braunschweig ebenfalls an neuartigen Atomuhren, die eines Tages die sogenannten Cäsium-Fontänen ablösen könnten. Seit 1967 bereits ist die Dauer einer Sekunde über das Isotop Cäsium-133 definiert.

Bei allen Atomuhren werden Atome mit Strahlung einer genau definierten Frequenz angeregt und so Übergänge der Elektronen ausgelöst. Die Elektronen verringern ihr Energieniveau, Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge wird emittiert. Die Anregungsfrequenz wird dabei so eingestellt, dass es zur Resonanz kommt, also besonders viele Übergänge stattfinden. Die Schwingungen der anregenden Quelle kann man zählen und auf diese Weise auch die Zeitspanne von einer Sekunde festlegen: Diese entspricht exakt der 9.192.631.770fachen Periodendauer in der Cäsiumuhr.

Höhere Frequenz gleich höhere Präzision

Die nun in "Science" beschriebene Atomuhr nutzt statt Cäsium das Element Ytterbium. Sie arbeitet auch mit einer deutlich höheren Frequenz. Diese liegt nicht im Mikrowellenbereich wie bei den gängigen Cäsium-Systemen, sondern im Bereich sichtbarer Wellenlängen. Man spricht daher auch von optischen Atomuhren.

Wegen der deutlich höheren Frequenzen können optische Atomuhren eine wesentlich höhere Genauigkeit erreichen. Das ist auch der Grund, weshalb Physiker diese Systeme so intensiv erforschen. Im Alltag spielen Schwankungen in der Größenordnung von 10-18 natürlich keine Rolle. Wer aber Entfernungen im Weltall messen oder die Gültigkeit von Gesetzen der Relativitätstheorie überprüfen will, braucht so präzise Uhren wie möglich.

Optische Atomuhren gibt es in zwei unterschiedlichen Varianten: Entweder arbeiten sie mit nur einem einzigen Ion - oder aber mit mehreren tausend Atomen in einem Gitter, die alle gleichzeitig von einem Laserstrahl angeregt werden. Die Ytterbium-Uhr der US-Forscher ist eine solche Gitteruhr. Auch bei den eingesetzten Atomen beziehungsweise Ionen gehen Wissenschaftler unterschiedliche Wege: Genutzt werden die Elemente Aluminium (Ionenuhr), Ytterbium und auch Strontium.

Um die Stabilität ihres Systems messen zu können, bauten Nathan Hinkley und seine Kollegen zwei verschiedene Gitteruhren aus Ytterbium. Der Vergleich beider Uhren ergab dann eine Schwingungspräzision von 1,6 *10-18. Dieser Wert darf allerdings nicht mit der Genauigkeit verwechselt werden, die beschreibt, wie nahe die Frequenz der Uhr an der Frequenz des atomaren Übergangs liegt.

"Die Autoren wissen nicht, ob die Frequenz ihrer Uhr der ungestörten atomaren Frequenz entspricht", sagt PTB-Forscher Lisdat. Aber sie wüssten, dass es vereinfacht gesagt immer die gleiche Frequenz ist. Die relative Abweichung optischer Atomuhren liegt heute bereits bei 10-17 und damit deutlich über dem Wert 10-15 von Cäsiumuhren, die mit Mikrowellenstrahlung arbeiten. Aber auch 10-15 ist bereits eine unvorstellbar geringe Abweichung: Der Wert entspricht einer Ungenauigkeit von etwa einer Sekunde in 30 Millionen Jahren.

Welche optische Atomuhr sich langfristig durchsetzt, lässt sich derzeit kaum vorhersagen. Gitter oder Ionenfalle, Strontium, Ytterbium oder Aluminium - kein System ist in allen Belangen allen übrigen überlegen. Die Wissenschaftler werden sich jedoch irgendwann entscheiden müssen - schließlich geht es dabei auch um eine mögliche Neudefinition der SI-Einheit Sekunde.

"Die Chancen sind hoch, dass die Definition der Sekunde eines Tages geändert wird", sagt PTB-Forscher Lisdat. Das werde aber wohl eher nicht in den nächsten zehn, zwanzig Jahren passieren. Zwar sei die Genauigkeit fast aller optischen Uhren bereits besser als bei der sogenannten Cäsium-Fontäne. "Doch bei der Betriebssicherheit ist die Cäsium-Fontäne nach wie vor unerreicht."

Diesen Artikel...
  • Aus Datenschutzgründen wird Ihre IP-Adresse nur dann gespeichert, wenn Sie angemeldeter und eingeloggter Facebook-Nutzer sind. Wenn Sie mehr zum Thema Datenschutz wissen wollen, klicken Sie auf das i.
  • Auf anderen Social Networks teilen

Forum - Diskutieren Sie über diesen Artikel
insgesamt 73 Beiträge
Alle Kommentare öffnen
    Seite 1    
1. relative Abweichung
daraja 21.08.2013
Die relative Abweichung heutiger optischer Atomuhren liegt mit 10^(-17) natürlich deutlich unter dem Wert von Cäsium-Uhren (10^(-15)). Daher sind sie ja genauer =) 10^(-17) entspricht einem Hundertstel von 10^(-15).
2. Ja, Ja, USA
dietert1 21.08.2013
Einer der Pioniere dieser Technologie war der deutsche Physiker Wolfgang Paul (1913-1993), Physiknobelpreisträger 1989 "Für seine Entwicklung der Paul-Falle, eines elektrischen Vierpolfeldes zum Einschluss und zur Untersuchung weniger Ionen oder Elektronen über genügend lange Zeit".
3.
waldschrat80 21.08.2013
Zitat von sysopAuf diese Uhr ist Verlass: ihre Schwingungen variieren nur um den Faktor 0,0000000000000000016 - ein neuer Weltrekord, den US-Physiker jetzt aufgestellt haben. Optische Atom-Uhren könnten eines Tages eine Neudefinition der Sekunde ermöglichen. Zeitmessung: Physiker bauen zuverlässigste Uhr aller Zeiten - SPIEGEL ONLINE (http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/zeitmessung-physiker-bauen-zuverlaessigste-uhr-aller-zeiten-a-917409.html)
Da stellt sich die Frage: Was soll diese "Verbesserung" bringen? Selbst wenn es eine Anwendung geben würde, in der eine derart genaue Zeitmessung benötigt wird, so bräuchte man immer noch eine Übertragungstechnik, die die Zeitmessung ohne Schwankungen in der Übertragungsgeschwindigkeit übermittelt.
4. Physik und Mathematik
dr.u. 21.08.2013
Zitat von sysopAuf diese Uhr ist Verlass: ihre Schwingungen variieren nur um den Faktor 0,0000000000000000016 - ein neuer Weltrekord, den US-Physiker jetzt aufgestellt haben. Optische Atom-Uhren könnten eines Tages eine Neudefinition der Sekunde ermöglichen. Zeitmessung: Physiker bauen zuverlässigste Uhr aller Zeiten - SPIEGEL ONLINE (http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/zeitmessung-physiker-bauen-zuverlaessigste-uhr-aller-zeiten-a-917409.html)
Es müsste heißen: "... um einen Faktor 1,0000000000000000016 ..." Bei einem Faktor nahen Null käme ja auch immer ein Ergebnis nahe Null heraus. Sprich: nach 24h Laufzeit (=86400s) würde diese Uhr sonst eine Laufzeit von 0,00000000000013824s anzeigen. Das wäre dann wohl nichts mit der hochgelobten Genauigkeit.
5. Bei diesen Genauigkeiten kommt bald der Punkt ...
JaguarCat 21.08.2013
... da darf der Experimentator nicht mehr nah an seiner "Uhr" vorbei gehen, denn dadurch wird die Schwerkraft lokal geändert, und das beeinflusst wiederum auch die Uhr (via Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie). 1,6 * 10^-18 ist fast schon absurd genau. Es entspräche dem Fall, dass sich 6 Milliarden Menschen nebeneinander aufstellen, im Raster von je genau einem Meter Abstand. Und man würde dann messen, dass der letzte Mensch in dieser Kette um 0,00001 Millimeter zu weit links oder rechts steht. Jag
Alle Kommentare öffnen
    Seite 1    
News verfolgen

HilfeLassen Sie sich mit kostenlosen Diensten auf dem Laufenden halten:

alles aus der Rubrik Wissenschaft
Twitter | RSS
alles aus der Rubrik Technik
RSS
alles zum Thema Physik
RSS

© SPIEGEL ONLINE 2013
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH



  • Drucken Senden
  • Nutzungsrechte Feedback
  • Kommentieren | 73 Kommentare
Fotostrecke
Urkilo und nationale Prototypen: Definition der Masse