Wissenschaft

Experimentelle Uhr

Der Superzeitmesser aus Braunschweig

Forscher aus Braunschweig arbeiten an einer optischen Uhr, die genauer ist als Cäsium-Atomuhren. Zwar gibt es noch präzisere Modelle - doch kaum eine ist stabiler.

DPA/ Julian Stratenschulte
Mittwoch, 03.08.2016   09:55 Uhr

Eigentlich steht das Pendel einer Uhr für Kontinuität und vor allem für Genauigkeit. So lange es etwa in einer großen Standuhr gleichmäßig und ruhig hin- und herschwingt, kann man halbwegs sicher sein, das die angezeigte Zeit in etwa stimmt.

Doch aus wissenschaftlicher Sicht sieht das anders aus - denn das Intervall des Pendels reicht schon lange nicht mehr. Je häufiger der Taktgeber einer Uhr pro Sekunde schwingt, desto genauer lässt sich die Sekunde bestimmen und desto weniger geht die Uhr im Laufe der Jahre falsch. Deshalb tüfteln Forscher an immer genaueren Zeitmessern.

Lange galt die Cäsium-Atomuhr als die genaueste Uhr der Welt. Was bei der klassischen Wanduhr das Pendel ist, ist hier eine atomare Schwingung. Rund neun Milliarden Mal pro Sekunde schwingt es.

An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig arbeiten Forscher derzeit an einem weiteren Modell, der sogenannten optischen Uhr. Die Taktfrequenz bei diesen optischen Uhren ist zwischen 10.000 und 100.000 Mal schneller als bei der Cäsium-Atomuhr.

Wie eine klassische Uhr sieht die sogenannte Strontium-Gitter-Uhr nicht aus. Auf einem großen Tisch im Labor der PTB sind zahlreiche winzige Spiegel angebracht, die Laserstrahlen hin und her leiten. Hier werden die normalerweise viel zu feinen Schwingungen des Lichts messbar gemacht. "Da sind schon viele Doktorarbeiten reingeflossen", sagt Christian Lisdat, Arbeitsgruppenleiter bei der PTB.

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Atomuhr: Ytterbium-Gitter tickt nahezu perfekt

In der Uhr befinden sich mehrere Tausend Strontiumatome in einem Gitter aus Laserlicht. Die Physiker der PTB regen die Atome mit einem weiteren Laser an, um Übergänge der Elektronen auszulösen und anschließend die Schwingungen der Atome zählen zu können.

"In zehn Jahren könnte die optische Uhr die Cäsium-Atomuhr ablösen", meint Wissenschaftler Lisdat. Genauer ist sie jetzt schon, allerdings noch etwas unzuverlässig. "Ein lautes Türenknallen reicht manchmal schon und der Laser kommt aus dem Lot", berichtet er. Dann kommt es bei der Uhr zu Ausfällen.

Um diese Unsicherheit auszugleichen, kombinierten die Wissenschaftler die optische Uhr mit einem Maser, der einem Laser im Mikrowellenbereich entspricht, der bei Ausfällen einsprang. Das gekoppelte System lief 25 Tage lang und konnte die Messunsicherheit geringer halten als zuvor. So gering, dass der Verlust seit Beginn des Universums vor etwa 14 Milliarden Jahren nur 100 Sekunden betragen würde. "Auf der Welt gibt es vielleicht zwei oder drei Uhren, die genauer sind. Aber bei der Stabilität stehen wir dafür super da", sagt Lisdat.

Noch in 15 Milliarden Jahren auf die Sekunde genau

Auf den ersten Blick wirkt die Arbeit der PTB-Wissenschaftler, als sei sie nur etwas für Detailverliebte. "Die Erfahrung zeigt jedoch, dass die heutigen Forschungsuhren morgen technisch eingesetzt werden und es dann wieder eine nächste Generation gibt, an der gerade geforscht wird", meint Thomas Udem vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Die optischen Atomuhren seien gerade im Begriff den Bereich der Forschung zu verlassen, während die Cäsium-Atomuhren im Alltag bei der Synchronisation von Datennetzen also zum Beispiel beim Übermitteln einer E-Mail und bei der Satellitennavigation, die heute fast jeder Smartphone-Besitzer nutzt, eingesetzt würden.

Auch Lisdat meint: "Natürlich ist das für den Wecker zuhause und den Fahrplan der Bahn irrelevant." Für Highspeed-Trading im Bankensektor oder der Satellitennavigation sei eine noch genauere Bestimmung der Sekunde aber sehr nützlich. Er ist deshalb zuversichtlich, dass die optische Uhr der Welt schon bald den Takt vorgeben wird.

Noch genauer als die Uhr der Braunschweiger ist aber eine experimentelle Strontium-Gitter-Uhr vom National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Colorado in Boulder. Die Atome ticken rund 430 Billionen Mal pro Sekunde. Und damit ginge die Uhr nach 15 Milliarden Jahren keine Sekunde falsch. Das war im vergangenen Jahr ein Rekord.

Als Alternative zu Strontium-Gitter-Uhren hatten Experten eine weltumspannende Kette von Atomuhren vorgeschlagen. Diese sollen quantenphysikalisch miteinander gekoppelt sein und eine extrem hohe Genauigkeit ermöglichen. Bislang ist diese Idee aber nur Theorie.

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Urkilo und nationale Prototypen: Definition der Masse

Von Rebecca Krizak, dpa/joe

insgesamt 42 Beiträge
territrades 03.08.2016
1. Quellen
SPON zitiert mal wieder keine Quellen. Hier die wissenschaftliche Veröffentlichung: https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-3-6-563 Hier die Pressemitteilung: [...]
SPON zitiert mal wieder keine Quellen. Hier die wissenschaftliche Veröffentlichung: https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-3-6-563 Hier die Pressemitteilung: https://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/journalisten/presseinformationen/presseinfo.html?tx_news_pi1[news]=7359&tx_news_pi1[controller]=News&tx_news_pi1[action]=detail&tx_news_pi1[day]=25&tx_news_pi1[month]=5&tx_news_pi1[year]=2016&cHash=dae4090e8fcd84b5aaab70147c347ff5 Die Neuerung liegt in der verbesserten Stabilität aufgrund des MASERs.
Ryker 03.08.2016
2. Wow!
Und meine Uhr hat nicht mal einen Sekundenzeiger. Ich glaube, ich brauche dringend eine Neue! ;-)
Und meine Uhr hat nicht mal einen Sekundenzeiger. Ich glaube, ich brauche dringend eine Neue! ;-)
Ringmodulation 03.08.2016
3. Nutzen von High-Speed-Trading
Wenn Forscher sich schon zum Nutzen ihrer Forschungen äußern, dann sollten sie sich doch wenigstens die Mühe machen, Beispiele zu finden, die einen Nutzen für die Allgemeinheit darstellen. Beim High-Speed-Trading ist die [...]
Wenn Forscher sich schon zum Nutzen ihrer Forschungen äußern, dann sollten sie sich doch wenigstens die Mühe machen, Beispiele zu finden, die einen Nutzen für die Allgemeinheit darstellen. Beim High-Speed-Trading ist die Wertschöpfung gleich Null; es geht allein darum, schneller zu sein als andere. High-Speed-Trading ist ein Nullsummenspiel, ein Gewinn allein auf Kosten anderer.
permissiveactionlink 03.08.2016
4. Laufzeit !
Eine so genaue Uhr benötigt man allenfalls in wissenschaftlichen Laboren, oder aber in der Astronomie, um eine weltweit gültige Zeit exakt festzulegen (z.B. beim Empfang von Gravitationswellen oder der Beobachtung von Pulsaren). [...]
Eine so genaue Uhr benötigt man allenfalls in wissenschaftlichen Laboren, oder aber in der Astronomie, um eine weltweit gültige Zeit exakt festzulegen (z.B. beim Empfang von Gravitationswellen oder der Beobachtung von Pulsaren). Dabei hat man aber neben der Uhr selbst noch ein anderes Problem : Die exakte Zeit muss irgendwie zum Ort des Experimentes/der Beobachtung gelangen. Dies geschieht per Funk über Längstwellen, z.B. von Mainflingen nahe Seligenstadt aus ("Funkuhr" DCF77 auf 77,5 kHz) oder durch Auswertung der GPS-Atomuhren an Bord von Satelliten und der Kenntnis der genauen Position des Empfängers. (Zentimeterwellenbereich) Es kommt dabei auf die Laufzeit zwischen Sender und Empfänger an. Diese wird aber durch technische und natürliche Störungen, Störfelder, Gewitter, variable Lichtgeschwindigkeit, Echos, Reflexionen etc. beeinflusst. Bei DCF77 wird für höchste Ansprüche sogar mitgeteilt, wenn eine anders platzierte Reserveantenne in Betrieb ist. Der technische Aufwand, um diese Laufzeiten herauszurechnen, ist enorm. Es ist ja immer schon später als die empfangene Zeit vorgibt. Es ist wie beim Sehen : Wir sehen immer die Vergangenheit ! Bei DCF77 wird noch eine Pseudozufallsfolge auf den Träger moduliert, eine m-Sequenz, um Störeinflüsse am Empfangsort durch Autokorrelation besser kompensieren zu können. Fazit : Die größte Genauigkeit der Uhr nützt wenig, wenn sie nicht direkt im Labor steht oder aber sich die Laufzeiten nicht mindestens ebenso genau messen lassen wie die Uhrzeit selbst.
lollopa1 03.08.2016
5. das bringt mich jetzt echt weiter!
ob diese achsotollen Uhren in 40 Billionen Jahren eine Sekunde verloren haben werden wir dann ja feststellen.... Und ob es mir persönlich irgendwie bei der GPS-Ortung hilft bezweifle ich auch mal. Echte Forschung für die [...]
ob diese achsotollen Uhren in 40 Billionen Jahren eine Sekunde verloren haben werden wir dann ja feststellen.... Und ob es mir persönlich irgendwie bei der GPS-Ortung hilft bezweifle ich auch mal. Echte Forschung für die Katz......

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