Wissenschaft

Genaueste Uhr der Welt

Neuer Weltrekord in der Zeitmessung

Präziser geht’s kaum: Zwei optische Atomuhren haben die Zeit auf 17 Dezimalstellen genau gemessen. Jetzt wollen Physiker mit den beiden Präzisionsapparaten eine Grundfrage der modernen Physik klären: Sind Naturkonstanten wirklich konstant?

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Samstag, 08.03.2008   08:57 Uhr

Eine Femtosekunde ist genau 0,000000000000001 oder 10-15 Sekunden lang. Mit solchen unvorstellbar kurzen Zeitabständen geben sich die Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder (USA) mittlerweile nicht mehr zufrieden. Sie können die Zeit jetzt auf wenige Attosekunden genau messen - also auf 17 Dezimalstellen hinter dem Komma. Ein neuer Weltrekord für Präzisionsuhren! Das Kunststück gelang ihnen gleich mit zwei verschiedenen optischen Atomuhren, in denen Ionen extrem schnell schwingen.

Optische Atomuhren gelten als vielversprechendste Nachfolger der 50 Jahre alten Cäsiumuhren, die auf der ganzen Welt die Zeit vorgeben. Die modernsten dieser Atomuhren zeigen heute eine Abweichung von nur wenigen Sekunden in 300 Millionen Jahren. Optische Atomuhren sollen schon bald um mehrere Zehnerpotenzen präziser sein, weil sie mit Frequenzen an der Grenze zum sichtbaren Licht arbeiten und so rund 75.000-mal öfter schwingen als die Atome in Cäsiumuhren.

Bei den Experimenten am NIST konnten die Physiker nun zeigen, dass sowohl die Quecksilber- als auch die neu entwickelte Aluminium-Ionenuhr um den Faktor zehn genauer ticken als die besten Atomuhren der Welt auf Cäsiumbasis. Um das zu beweisen, verglichen die Forscher die Frequenzen der beiden Uhren miteinander, Dabei hätten sie eine Abweichung von nur 5,2 10-17 gefunden, berichten sie im Wissenschaftsmagazin "Science". Pro Sekunde sind das nur 52 Attosekunden, also 52 10-18 Sekunden. "Das ist, wie wenn man den Abstand der Erde zur Sonne auf ein Zehntel des Durchmessers eines Haares bestimmen könnte", sagt Piet Schmidt von der Universität Innsbruck, der die Aluminiumuhr als Postdoktorand in Boulder mit aufgebaut und erste Messungen daran durchgeführt hat.

Weltrekorde in Serie

Die eine Atomuhr nutzt die schnellen Schwingungen eines Quecksilberions, das in einer ultrakalten Magnetfalle sitzt. Das angeregte Ion sendet einen Lichtimpuls mit der Frequenz von über einem Petahertz aus, das sind mehr als eine Billiarde Schwingungen pro Sekunde. Die Quecksilber-Uhr wurde erstmals im Jahr 2000 vorgestellt und seitdem kontinuierlich verbessert. In den Jahren 2001 und 2006 stellte sie neue Rekorde auf.

Die zweite optische Atomuhr arbeitet mit einem Aluminiumion. Sie sei besonders genau, weil sie kaum von elektrischen und magnetischen Feldern sowie Temperaturschwankungen beeinflusst werde, sagt NIST-Forscher Till Rosenband. Um die Stabilität beider Uhren vergleichen zu können, ließen die Forscher die Uhren parallel laufen: "Es ist nicht einfach, die komplexen Experimente zeitgleich zum Laufen zu bringen", berichtet Schmidt im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE.

Aber welche der beiden Ionenuhren ist nun die genauere? Diese Frage können die Physiker derzeit noch nicht endgültig beantworten, sie haben ja nur einen Unterschied zwischen den beiden Uhren von 5,2 10-17 gemessen und die Fehler beider Uhren abgeschätzt. Allerdings gehen sie davon aus, dass das Quecksilberion die genaueren Daten liefert. "Der systematische Fehler ist um etwa 20 Prozent kleiner als bei der Aluminiumionenuhr", sagt Schmidt. Dies sei jedoch nicht durch eine direkte Vergleichsmessung belegt, sondern durch unabhängige Messungen verschiedener Effekte an beiden Uhren. Um zu klären, welche der beiden Uhren in einer direkten Vergleichsmessung genauer geht, wären etwa zehnmal mehr Daten nötig.

Konstant oder variabel?

Die Entwicklung immer genauerer Atomuhren ist kein Selbstzweck, die Physiker erhoffen sich grundlegende Erkenntnisse über die Gültigkeit ihrer Theorien. "Besonders interessant sind Messungen über längere Zeiträume hinweg", erklärt Schmidt. "Damit können wir nämlich überprüfen, ob sich fundamentale Naturkonstanten langfristig ändern. Und das wäre natürlich spektakulär."

Konkret geht es um die sogenannte Feinstrukturkonstante. "Die Feinstrukturkonstante regelt gewissermaßen die Stärke der Wechselwirkung elektromagnetischer Felder mit geladenen Teilchen", erklärt der Physiker. Ändere sich die Konstante, änderten sich auch die Energieniveaus der Atome und damit die Geschwindigkeiten der Uhren, und zwar auf verschiedene Weise. "Die Quecksilberuhr würde langsamer laufen als die Aluminiumuhr, wenn die Feinstrukturkonstante größer werden würde", erklärt Schmidt. Diese Geschwindigkeitsänderung sei prinzipiell messbar.

Es gebe Hinweise darauf, dass sich die Feinstrukturkonstante im Laufe der Entwicklung des Universums geändert haben könnte. Das hätten zumindest Messungen von Quasarspektren ergeben. Allerdings gebe es auch Messungen, die dafür sprechen, dass die Konstante tatsächlich eine ist. "Das aktuelle Modell der Teilchenphysik sieht eine sich verändernde Feinstrukturkonstante nicht vor", erklärt Schmidt. "Man bräuchte dann ein neues Modell, etwa die Stringtheorie."

Bislang brachten die mit den beiden Uhren durchgeführten Vergleichsmessungen keinen Beweis für eine veränderliche Feinstrukturkonstante. Die Forscher fanden keine signifikante Änderung der Konstante innerhalb des Messzeitraums von einem Jahr. "Würden wir eine Änderung messen, könnte man wohl erst fünf Jahre später darüber berichten", spekuliert Schmidt. Denn dann müssten zunächst alle in Frage kommenden Messfehler genau analysiert werden, um wirklich sicher zu sein, dass die Messung stimme.

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